基于FPGA的單目內(nèi)窺鏡定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)（中）

今天給大俠帶來基于FPGA的單目內(nèi)窺鏡定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)，由于篇幅較長，分三篇。今天帶來第二篇，中篇，話不多說，上貨。

隨著現(xiàn)科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，信息科技迅速發(fā)展，我們可從互聯(lián)網(wǎng)、電臺(tái)等媒體獲取大量信息。現(xiàn)代信息的存儲(chǔ)、處理和傳輸變得越來越數(shù)字化。在人們的日常生活中，常用的計(jì)算機(jī)、電視、音響系統(tǒng)、視頻記錄設(shè)備、遠(yuǎn)程通訊電子設(shè)備無一不采用電子系統(tǒng)、數(shù)字電路系統(tǒng)。因此，數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。尤其在通信系統(tǒng)和視頻系統(tǒng)中，數(shù)字系統(tǒng)尤為突出。而隨著FPGA的出世，數(shù)字系統(tǒng)更加受到人們青睞，它為數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供更加便捷的通道，使得數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以芯片小型化，電路規(guī)模大型化，龐大的邏輯資源，可滿足各種數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

隨著社會(huì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，尤其是醫(yī)療領(lǐng)域尤為突出。而在醫(yī)療領(lǐng)域中，心臟電信號(hào)模擬器手術(shù)輔助儀器發(fā)展迅速。為了訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)少的醫(yī)生熟悉心臟手術(shù)的操作過程，而專門開發(fā)心臟信號(hào)模擬儀器，讓醫(yī)生迅速掌握心臟手術(shù)操作過程，成為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富心臟手術(shù)醫(yī)生。

因此，本文將于FPGA平臺(tái)，以圖像處理結(jié)合信號(hào)采集原理，實(shí)現(xiàn)醫(yī)生在做心臟模擬手術(shù)操作導(dǎo)管的過程中，不需要觀察心臟內(nèi)部情況，即可獲取導(dǎo)管頭在心臟內(nèi)部信息的功能，采用內(nèi)窺鏡攝像頭采集視頻和并對(duì)導(dǎo)管頭進(jìn)行跟蹤定位，信號(hào)采集技術(shù)可將采集到的導(dǎo)管頭在心臟內(nèi)部觸碰區(qū)域的信號(hào)采集出來送到專業(yè)醫(yī)用儀器，進(jìn)行心臟3D建模。

本設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)院培養(yǎng)的經(jīng)驗(yàn)少的醫(yī)生盡快掌握心臟手術(shù)操作流程很有價(jià)值，未來將可以培養(yǎng)更多從事心臟手術(shù)工作的醫(yī)學(xué)專業(yè)畢業(yè)的學(xué)生或剛剛從事這個(gè)行業(yè)的社會(huì)醫(yī)生。

第二篇內(nèi)容摘要：本篇還會(huì)介紹硬件設(shè)計(jì)，包括電源電路、FPGA外圍電路、采集電路、緩沖電路、顯示電路等相關(guān)內(nèi)容，以及介紹軟件設(shè)計(jì)，包括采集模塊、緩沖模塊、處理模塊、解碼模塊、顯示模塊等相關(guān)內(nèi)容。

四、硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)包括有電源電路、FPGA外圍電路、采集電路、緩沖電路和顯示電路。

4.1 電源電路

電路設(shè)計(jì)：使用接口連接電源并且附帶串口輸出，電源輸出需要VCC（5V）、3.3V、2.8V、2.5V、1.2V。其中某些外設(shè)需要VCC、和3.3V供電，而3.3V、2.8V、2.5V、1.2V是FPGA芯片和其外圍電路的供電以及攝像頭電路和SDRAM電路。

設(shè)計(jì)如圖4.1所示。

圖4.1 電源電路原理圖

4.2 FPGA外圍電路

芯片選型：本設(shè)計(jì)電路使用Altera公司的clcone IV系列的EP4CE6F17C8型芯片。

電路設(shè)計(jì)：FPGA外圍電路包括JTAG電路，EPCS電路和晶振電路等主要的電路。電路圖如下，圖4.2 JTAG電路，圖4.3 EPCS電路，圖4.4 晶振電路。

圖4.2 JTAG電路原理圖

圖4.3 EPCS電路原理圖

圖4.4 晶振電路原理圖

4.3 采集電路

電路設(shè)計(jì)：采集電路設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)時(shí)，將cmos_sclk和cmos_sdat上拉4.7k電阻即可，類似于I2C總線。設(shè)計(jì)如圖4.5所示。

圖4.5 攝像頭采集電路原理圖

4.4 緩沖電路

電路設(shè)計(jì)：按照官方設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器外圍電路如圖4.6所示。

圖4.6 SDRAM電路原理圖

4.5 顯示電路

電路設(shè)計(jì)：VGA設(shè)計(jì)電路如圖4.7所示。

圖4.7 VGA電路原理圖

五、軟件設(shè)計(jì)

以下是對(duì)各個(gè)模塊具體的設(shè)計(jì)和劃分，整體設(shè)計(jì)如圖5.1所示。

圖5.1 軟件模塊設(shè)計(jì)

圖5.1可分為5大塊，采集模塊（OV7670采集圖像）、緩沖模塊（SDRAM圖像緩沖）、處理模塊（乒乓輸入、乒乓輸出、幀差、二值圖像投影并計(jì)算目標(biāo)）、解碼模塊（YUV格式轉(zhuǎn)RGB565格式）、顯示模塊（打印出坐標(biāo)信息、驅(qū)動(dòng)VGA）。詳細(xì)設(shè)計(jì)在接下來的章節(jié)中一一講解。

5.1 采集模塊

5.1.1. 初始化SCCB（I2C）協(xié)議實(shí)現(xiàn)

SCCB 由OV公司生產(chǎn)，通過配置寄存器，來設(shè)置攝像頭功能，從而達(dá)到采集數(shù)據(jù)的目的。通訊協(xié)議和I2C差不多，都是有一個(gè)時(shí)鐘線和一個(gè)數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)線是雙向的，如圖5.2所示為SCCB主機(jī)和從機(jī)電氣連接圖。SCCB協(xié)議的主機(jī)發(fā)出啟動(dòng)停止和數(shù)據(jù)信號(hào)，從機(jī)響應(yīng)應(yīng)答信號(hào)和非應(yīng)答信號(hào)，主機(jī)在SCLK為高電平時(shí)，將SDAT從高拉低，這時(shí)觸發(fā)啟動(dòng)信號(hào)，在SCLK為高電平時(shí)，將SDAT從低拉高，這時(shí)觸發(fā)停止信號(hào)，至于發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)，只有在啟動(dòng)信號(hào)和停止信號(hào)之間，SCLK為低電平時(shí)，SDAT才允許改變，但是在SCLK為高電平時(shí)，SDAT必須保持不變，換句話來說，SDAT只有在SCLK為低電平時(shí)才能改變。主機(jī)使用FPGA，從機(jī)為攝像頭。每個(gè)從機(jī)都會(huì)有一個(gè)獨(dú)一無二的地址，軟件訪問從機(jī)時(shí)，識(shí)別從機(jī)地址即可。根據(jù)廠家使用手冊SCLK和SDAT需要接上拉電阻。

接下來，講一下SCCB傳輸?shù)幕靖袷剑鋫鬏敻袷脚cI2C基本上一樣，如圖5.3所示，總共寫時(shí)序有三個(gè)部分。每一部分都傳輸特定的數(shù)據(jù)，第一部分由8bit組成，最低位是讀寫選擇控制，高7bit由從唯一機(jī)地址組成，最后當(dāng)從機(jī)接收到8bit數(shù)據(jù)后，會(huì)向主機(jī)反饋一個(gè)應(yīng)答信號(hào)ACK。第二部分，由8bit數(shù)據(jù)組成，其為從機(jī)內(nèi)部寄存器地址，最后當(dāng)從機(jī)接收到8bit數(shù)據(jù)后，會(huì)向主機(jī)反饋一個(gè)應(yīng)答信號(hào)ACK。第三部分，由8bit數(shù)據(jù)組成，其為從機(jī)內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)，最后當(dāng)從機(jī)接收到8bit數(shù)據(jù)后，會(huì)向主機(jī)反饋一個(gè)非應(yīng)答信號(hào)NACK。

圖5.2 SCCB電氣連接

圖5.3 SCCB時(shí)序圖

通過ModelSim仿真可以得到相應(yīng)的SCCB時(shí)序圖，如圖5.4所示。

圖5.4 仿真時(shí)序圖

結(jié)論：SCCB總線仿真時(shí)序圖和廠家手冊時(shí)序圖一致，i2c_sdat為數(shù)據(jù)信號(hào)，ui2c_sclk為時(shí)鐘信號(hào)。在時(shí)鐘高電平時(shí)，數(shù)據(jù)從高拉低為起始信號(hào)，數(shù)據(jù)從低拉高為停止信號(hào)，在時(shí)鐘低電平時(shí)，數(shù)據(jù)信號(hào)可以改變，而且可以收到應(yīng)答信號(hào)，時(shí)鐘為高電平時(shí)數(shù)據(jù)保持。

5.1.2. 像素?cái)?shù)據(jù)捕獲設(shè)計(jì)

在驅(qū)動(dòng)攝像頭時(shí)，攝像頭輸出時(shí)序是按照圖5.5輸出的，本設(shè)計(jì)按照攝像頭產(chǎn)生的行有效信號(hào)HREF和捕獲時(shí)鐘PCLK對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲即可。

圖5.5 攝像頭輸出時(shí)序圖

5.2 緩沖模塊

sdram控制器：動(dòng)態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器（Synchronous Dynamic Random Access Memory）價(jià)廉，容量大，但控制復(fù)雜。SDRAM以及隨后的DDR2，DDR3成為當(dāng)前數(shù)字系統(tǒng)主要的存儲(chǔ)器器件，SDRAM器件電氣接口如圖5.6所示。

圖5.6 SDRAM器件的端口圖

然后介紹sdram控制器設(shè)計(jì)步驟以及相應(yīng)時(shí)序圖和仿真圖。

5.2.1. 器件初始化：

1). 加載電源（VDD和VDDQ）

2). CKE設(shè)置為低（LVTTL邏輯低電平）

3). 加載穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)

4). 等待至少100us，此時(shí)的命令保持為INHIBIT或NOP

5). 在步驟4的100us中的某個(gè)時(shí)刻，將CKE設(shè)置為高，命令仍然保持為INHIBIT或NOP

6). 步驟4的100us結(jié)束后，即可發(fā)出一個(gè)全部Bank的預(yù)充電命令（PRECHARGE ALL）

7). 等待至少tRP（行預(yù)充電最小周期），此時(shí)命令保持為NOP或DESELECT

8). 發(fā)出一個(gè)自動(dòng)刷新命令（AUTO REFRESH）

9). 等待至少tRFC（自動(dòng)預(yù)充電周期），此時(shí)的命令僅允許是NOP或INHIBIT

10). 再發(fā)出一個(gè)自動(dòng)刷新命令（ AUTO REFRESH ）

11). 再等待至少tRFC（自動(dòng)預(yù)充電周期），此時(shí)的命令僅允許是NOP或INH

12). 使用LMR命令設(shè)置模式寄存器

13). 等待至少tMRD（LMR命令至激活或刷新命令的最小間隔），此時(shí)的命令僅允許是NOP或DESELECT

圖5.7 sdram控制器初始化時(shí)序圖

圖5.8 sdram控制器初始化仿真時(shí)序圖

結(jié)論：仿真如圖5.8所示，達(dá)到廠家時(shí)序圖5.7所示的指標(biāo)，按照廠家時(shí)序步驟設(shè)計(jì)時(shí)序仿真圖紅色光標(biāo)線標(biāo)明。要注意的是在發(fā)出上電命令之前要發(fā)出NOP指令100us以上，設(shè)計(jì)100.0025us滿足指標(biāo)。

5.2.2. sdram刷新操作

SDRAM的刷新分為自動(dòng)刷新（Auto Refresh）和自刷新（Self Refresh） ，前者由外部控制，必須定時(shí)給出刷新命令，后者在cke為低時(shí)SDRAM器件自己進(jìn)行，無需外部干預(yù)。自動(dòng)刷新（Auto Refresh）時(shí)，SDRAM內(nèi)部的自動(dòng)刷新計(jì)數(shù)器定時(shí)對(duì)所有Bank的行進(jìn)行刷新。刷新期間所有操作要停止。自動(dòng)刷新命令是由外部發(fā)出的（SDRAM控制器發(fā)出）。通常存儲(chǔ)電容的充放電周期為64ms，8192行（13位行地址尋址范圍）。以下是自動(dòng)刷新步驟以及時(shí)序圖如圖5.9所示和仿真圖如圖5.10所示。

1). 所有Bank執(zhí)行預(yù)充電（關(guān)閉所有Bank的行）

2). 等待至少tRP，期間的命令保持為INHIBIT或NOP

3). 執(zhí)行Auto Refresh命令

4). 等待至少tRFC，期間不能有任何可執(zhí)行命令，僅允許INHIBIT或NOP

5). 若要執(zhí)行背靠背刷新，則執(zhí)行下一個(gè)Auto Refresh

6). 若無背靠背（Back to back, 即A10=1執(zhí)行預(yù)充電），則刷新結(jié)束，可以開始激活新的bank

7). 自動(dòng)刷新周期保證每行（所有Bank）滿足行刷新周期64ms，因此刷新周期=64ms/8192=7.813us

注意：對(duì)所有bank充電（如果使用突發(fā)中斷指令，可以不用充電）；第一次自動(dòng)刷新（第一次刷新必須）；第二次自動(dòng)刷新（第二次刷新可選）。

圖5.9 sdram控制器自動(dòng)刷新時(shí)序圖

圖5.10 sdram控制器自動(dòng)刷新仿真時(shí)序圖

結(jié)論：按照廠家手冊再刷新之前需要做充電操作，然后再做兩次刷新操作，如果設(shè)置模式成頁寫突發(fā)中斷模式，則不需要充電，只需要一次刷新即可。

5.2.3. sdram寫操作

圖5.12為寫操作時(shí)序圖，圖5.13為寫操作仿真圖，以下是寫操作步驟。

a. 發(fā)出激活指令，同時(shí)加載行地址，如圖5.11所示；

b. 經(jīng)過時(shí)間tRCD后，發(fā)出寫指令，加載列地址和有效數(shù)據(jù)；

c. 數(shù)據(jù)突發(fā)。

圖5.11 激活時(shí)序圖

圖5.12 寫操作時(shí)序圖

圖5.13 寫操作仿真圖

結(jié)論：寫操作之前一定要發(fā)出激活指令，同時(shí)加載行地址，才能發(fā)出寫命令加載數(shù)據(jù)和行地址，延時(shí)參數(shù)和廠家手冊指標(biāo)一致。

5.2.4. sdram讀操作

圖5.14為讀操作時(shí)序圖，圖5.15為讀操作仿真圖，以下是讀操作步驟。

a. 發(fā)出激活指令，同時(shí)加載行地址，如圖5.11所示；

b. 經(jīng)過時(shí)間tRCD后，發(fā)出讀指令，加載列地址；

c. 經(jīng)過CL=3，3拍潛伏期之后可讀出數(shù)據(jù)；

d. 數(shù)據(jù)突發(fā)。

圖5.14 讀操作時(shí)序圖

圖5.15 讀操作仿真圖

結(jié)論：讀操作之前一定要發(fā)出激活指令，同時(shí)加載行地址，才能發(fā)出讀命令加載行地址，最后得出數(shù)據(jù)，延時(shí)參數(shù)和廠家手冊指標(biāo)一致。

為了便于圖像的實(shí)時(shí)緩沖，在sdram控制器兩端專門設(shè)計(jì)了fifo端點(diǎn)，以適應(yīng)不同時(shí)鐘域數(shù)據(jù)的緩沖，詳細(xì)設(shè)計(jì)如下。

二端點(diǎn)緩沖：sdram控制器兩端接有兩個(gè)異步fifo（一個(gè)寫fifo和一個(gè)讀fifo），用戶可對(duì)一個(gè)寫fifo和一個(gè)讀fifo同時(shí)進(jìn)行操作，而且sdram控制器是頁寫突發(fā)。

圖5.16 二端點(diǎn)緩沖仿真圖

四端點(diǎn)緩沖：sdram控制器兩端接有兩個(gè)異步fifo（兩個(gè)寫fifo和兩個(gè)讀fifo），用戶可對(duì)兩個(gè)寫fifo和兩個(gè)讀fifo同時(shí)進(jìn)行操作，而且sdram控制器是頁寫突發(fā)。

圖5.17 四端點(diǎn)緩沖仿真圖

結(jié)論：二端點(diǎn)緩沖要求在任意時(shí)刻一端口寫入一幀數(shù)據(jù)，另一端口在任意時(shí)刻能無損的讀出寫入的圖像，圖5.18紅色光標(biāo)線標(biāo)明設(shè)計(jì)滿足要求；四端點(diǎn)緩沖要求在任意時(shí)刻寫1端口寫入一幀數(shù)據(jù)，讀1端口在任意時(shí)刻能無損的讀出寫入的圖像，在任意時(shí)刻寫2端口寫入一幀數(shù)據(jù)，讀2端口在任意時(shí)刻能無損的讀出寫入的圖像，圖5.17紅色光標(biāo)線標(biāo)明設(shè)計(jì)滿足要求；根據(jù)本文設(shè)計(jì)要求寫入一端乒乓寫入一幀圖像，另一端同時(shí)同步讀出相鄰兩幀圖像數(shù)據(jù)，則需要做3端口訪問，四端點(diǎn)緩沖剛好滿足需求。

5.3 處理模塊

處理模塊總共包括三個(gè)處理模塊，乒乓輸入、幀差且乒乓輸出、投影直方圖和目標(biāo)定位模塊。

乒乓操作：包括乒乓輸入和乒乓輸出，在關(guān)鍵問題解決方法中已經(jīng)詳細(xì)講述其原理，在這里講述設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法及需要注意的問題。

1). 通過sdram緩沖模塊輸出的完成信號(hào)，在狀態(tài)機(jī)的控制下完成乒乓輸入切換和輸出切換。

2). 注意切換標(biāo)志信號(hào)不能使用輸入模塊（攝像頭采集模塊）或輸出模塊（VGA顯示模塊）的完成信號(hào)，否則會(huì)造成sdram緩沖模塊數(shù)據(jù)未完全緩沖完畢，從而丟失數(shù)據(jù)。

幀差：在本設(shè)計(jì)中，通過乒乓操作使我采集到的相鄰的兩幀圖像同時(shí)輸出，兩幀圖像相減得到的值，到底是前一幀減去后一幀還是后一幀減去前一幀，理論上來說都可以，如果使用兩幀相減的絕對(duì)值來輸出，不管是誰減誰都無所謂了。

投影直方圖和目標(biāo)定位：二值投影分為水平方向的投影和垂直方向的投影，水平方向投影就是把x軸方向各個(gè)地址所對(duì)的數(shù)據(jù)加在一塊，然后存儲(chǔ)到內(nèi)存里面，垂直方向投影就是把y軸方向各個(gè)地址所對(duì)的數(shù)據(jù)加在一塊，然后存儲(chǔ)到內(nèi)存里面。最終存儲(chǔ)起來就得到二值圖像的投影。使用狀態(tài)機(jī)檢測輸入數(shù)據(jù)是否為1來進(jìn)行直方圖計(jì)數(shù)并寫入ram中。同關(guān)鍵問題解決方法一節(jié)中，通過硬件描述語言設(shè)計(jì)出來，得到相應(yīng)目標(biāo)坐標(biāo)。

5.4 解碼模塊

攝像頭配置模式為YUV（4:2:2）模式，通過攝像頭采集到的YUV格式需要轉(zhuǎn)換成RGB格式才能在VGA上輸出。在格式轉(zhuǎn)換中，需要把YUV422轉(zhuǎn)成YUV444，再把YUV444轉(zhuǎn)成RGB888，最后把RGB888轉(zhuǎn)成RGB565，其中YUV444轉(zhuǎn)成RGB888采用查找表的方式。下面詳細(xì)說明一下轉(zhuǎn)換方法。

5.4.1. YUV422轉(zhuǎn)成YUV444，標(biāo)準(zhǔn)的視頻的YCbCr信號(hào)，以Cb0 Y0 Cr0 Y1 Cb1 Y2 Cr1 Y3...，通過合并8bit到16bit（為了存儲(chǔ)，16bit）后，數(shù)據(jù)變成了{(lán)Cb0 Y0}{Cr0 Y1}{Cb1 Y2}{Cr1 Y3}...，為了保持?jǐn)?shù)據(jù)的同步，同時(shí)又不能丟失任何一個(gè)byte，重新組合出一幅完整的YCbCr圖像，我們將所謂的YUV422轉(zhuǎn)成YUV444，即每一個(gè)像素都有完整的亮度色差，但是這需要幾級(jí)寄存來完成。如此，既保證了數(shù)據(jù)的同步，不至于色差錯(cuò)位，同時(shí)又有效的拼接了數(shù)據(jù)，有利于保存。以下是捕獲步驟。

1). 捕獲Cb0 Y0

2). 捕獲Cr0 Y1

3). 捕獲Cb1 Y2，輸出Y0Cb0Cr0

4). 捕獲Cr1 Y3，輸出Y1Cb0Cr0

5.4.2. YUV444轉(zhuǎn)成RGB888，關(guān)于這個(gè)轉(zhuǎn)換有特定的公式，如下：

R=1.164(Y-16)+1.596(Cr-128)

G=1.164(Y-16)- 0.813(Cr-128)- 0.391(Cb-128)

B=1.164(Y-16)+2.018(Cb-128)

如果使用c語言方式設(shè)計(jì)，它支持浮點(diǎn)運(yùn)算，非常易于實(shí)現(xiàn)。但是FPGA中僅僅只有邏輯低和邏輯高，那就需要另想辦法設(shè)計(jì)了，好在上述的一些小數(shù)我們可以量化之后再通過一位就可以實(shí)現(xiàn)，這樣就不需要涉及到小數(shù)運(yùn)算和乘法運(yùn)算問題了。具體設(shè)計(jì)如以下步驟。

1). 首先，分離變量，將公式化簡

R=1.164Y+1.596Cr-222.912

G=1.164Y- 0.813Cr- 0.391Cb+135.488

B=1.164Y+2.018Cb-276.928

2). 然后進(jìn)行放大，加上移位，去掉浮點(diǎn)

XOUT[19:0]=((Y*10’d596)+ (Cr*10’d817)-18’d114131)>>9

YOUT[19:0]=((Y*10’d596)- (Cb*10’d200)- (Cr*10’d416)-18’d69370)>>9

ZOUT[19:0]=((Y*10’d596)+ (Cb*10’d1033)-18’d141787)>>9

3). 乘法器出現(xiàn)溢出，我需要截?cái)嗾?fù)溢出部分，使得數(shù)據(jù)保持在0~255范圍內(nèi)。如下：

R=XOUT[10] ? 8’h0:(XOUT[8:0] > 9’d255) ? 8’hff:XOUT[7:0];

G=YOUT[10] ? 8’h0:(YOUT[8:0] > 9’d255) ? 8’hff:YOUT[7:0];

B=ZOUT[10] ? 8’h0:(ZOUT[8:0] > 9’d255) ? 8’hff:ZOUT[7:0];

4). 最后由于硬件原因，需要將RGB888轉(zhuǎn)換成成RGB565，這一步僅僅只需要做截?cái)嗖僮骷纯伞?/p>

5.5 顯示模塊

顯示模塊分為兩大部分，第一部分為字符打印模塊，在已有圖像的基礎(chǔ)上打印出要寫的字符或圖標(biāo)；第二部分為VGA驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)硬件設(shè)備。下面具體設(shè)計(jì)如下。

字符打印模塊：在VGA顯示圖像的基礎(chǔ)上，在畫面上打印出一串字符，并且可以控制其位置、內(nèi)容任意改變。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5.18所示。其原理是根據(jù)輸入圖像的地址矩陣構(gòu)成字符或者圖標(biāo)，在對(duì)應(yīng)的地址上將原始像素?cái)?shù)據(jù)替換成特定的值，這個(gè)就可以在不影響原始圖像的基礎(chǔ)上打印出想要的字符或者圖標(biāo)。

圖5.18 字符模塊設(shè)計(jì)圖

VGA驅(qū)動(dòng)模塊：標(biāo)準(zhǔn)的VGA接口有15個(gè)接口，但是真正用到的只有5個(gè)接口，分別是三個(gè)色彩信號(hào)，R,G,B，場同步信號(hào)VSYNC，行同步信號(hào)HSYNC，時(shí)序部分要通過控制行同步信號(hào)和場同步信號(hào)，色彩部分要控制RGB，先來看時(shí)序部分。對(duì)于一個(gè)分辨率為800*600的顯示器，簡單的說像素的刷新是從左到右，從上到下一行一行的刷新的，每一行要刷新的點(diǎn)成為行同步信號(hào)的幀長，有多少行稱為場同步信號(hào)的幀長，從上到下刷新完一遍稱為一幀，我們電腦上說的屏幕刷新頻率就是說屏幕一秒鐘能夠刷新多少幀，當(dāng)達(dá)到一定的幀數(shù)，我們的肉眼也就分辨不出來了，這樣我們就看到我們的電腦屏幕，我們在操作的時(shí)候是連續(xù)的了。

5.5.1. 水平時(shí)序

水平同步信號(hào)HSYNC如圖5.19所示，HSYNC使用一個(gè)負(fù)同步脈沖表示一行像素的開始時(shí)刻，到下一個(gè)負(fù)脈沖出現(xiàn)為一行像素的結(jié)束時(shí)刻。實(shí)際的一行有效圖像數(shù)據(jù)是在25.422us的時(shí)間窗口內(nèi)發(fā)送的，而水平同步信號(hào)之間的間隔是31.77us。沒有圖像數(shù)據(jù)發(fā)送的這段時(shí)間定義為消隱區(qū)，此時(shí)的圖像為黑色。如果有25.422us的時(shí)間段來輸出一行有效圖像數(shù)據(jù),做一些計(jì)算如下，640*480的VGA顯示模式下，待填充的640個(gè)像素需要在25.422us內(nèi)發(fā)送給顯示器。即每個(gè)像素的時(shí)間為 25.422us/640 = 39.71875ns?？梢运愕米钚r(shí)間單位是 25.175MHZ，這個(gè)即驅(qū)動(dòng)VGA時(shí)FPGA所需要的時(shí)鐘頻率。

5.5.2. 垂直時(shí)序

垂直同步信號(hào)VSYNC如圖20所示，VSYNC與水平同步信號(hào)相似，只不過其同步負(fù)脈沖表示整個(gè)一幀圖像的開始和結(jié)束。一幀圖像的有效圖像數(shù)據(jù)是在15.25ms的時(shí)間窗口內(nèi)發(fā)送的，而同步信號(hào)之間的間隔是16.68ms。同理，如果有15.25ms的時(shí)間段來輸出一幀有效圖像數(shù)據(jù)，做計(jì)算如下,640*480的VGA顯示模式下15.25ms/480 = 0.031ms?？梢运愕猛瓿商畛湟恍?40個(gè)有效像素?cái)?shù)據(jù)的時(shí)間為0.031ms，即每一行的頻率為31.46875Khz，顯示像素?cái)?shù)據(jù)或電子束退回到行首開始新的水平掃描時(shí)，RGB信號(hào)需要置為黑色，即全為零。

圖5.19 VGA行數(shù)據(jù)時(shí)序

注：a (行消隱) ， b（行消隱后沿），c（行顯示），d（行消隱前沿），E（行時(shí)序總長度）

圖5.20 VGA場數(shù)據(jù)時(shí)序

注：a (場消隱) ， b（場消隱后沿），c（場顯示），d（場消隱前沿），E（場時(shí)序總長度）

圖5.21 VGA行數(shù)據(jù)仿真圖

圖5.22 VGA場數(shù)據(jù)仿真圖

不同的分辨率下，行同步和場同步信號(hào)的周期是不同的，時(shí)序上的時(shí)間也不一樣。附錄2列出了VGA的常用分辨率參數(shù)。

結(jié)論：圖5.21設(shè)計(jì)為行時(shí)序滿足VGA設(shè)計(jì)行時(shí)序，圖5.22設(shè)計(jì)為場時(shí)序滿足VGA設(shè)計(jì)場時(shí)序。

本篇到此結(jié)束，下一篇帶來基于FPGA的單目內(nèi)窺鏡定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)（下），會(huì)介紹系統(tǒng)調(diào)試與測試以及結(jié)論，包括系統(tǒng)資源性能調(diào)試與分析、系統(tǒng)功能測試等相關(guān)內(nèi)容，還會(huì)有VGA的常用分辨率參數(shù)表、整體電路圖、主要程序分享等附錄。