基于FPGA的VGA波形显示方法研究
张智勇 杨晨 郭祥 丁召
摘 要： 提出一种基于FPGA和硬件描述语言Verilog HDL实现STM?MBE量子点波形VGA显示与标记的方法，利用FPGA片内ROM，将量子点生长实验中量子点的高度数据波形显示在VGA显示器上；同时利用FPGA的控制优势及处理图像的高效性，实现对所有在VGA显示器上显示的波形图做手动和自动标记，便于分析量子点生长的优劣，以及描述量子点的表面形貌。通过量子点波形显示实验，得到了显示效果较好的量子点波形图，显示波形图上的任意点也能被手动和自动做标记。
关键词： FPGA； Verilog HDL； VGA显示； 量子点； 波形显示与标记
中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）06?0101?03
量子点（Quantum Dot，QD）[1]，是准零维的纳米材料，由少量的原子所构成。STM?MBE是可制备和扫描量子点材料的先进设备，STM?MBE即扫描隧道显微镜和超高真空分子束外延联合系统，分子束外延（MBE）是一种物理气相沉积的材料制备方式，利用MBE设备可以高精度地制备原子单层级的平整薄膜[2]， 扫描隧道显微镜（STM）的工作原理是电子的隧道效应，通过隧道电流的大小反应样品表面的形貌。利用STM?MBE制备量子点时，需要利用量子点波形来观察和标记量子点的高度以确定量子点生长的优劣和表面形貌。基于此种需求，本文利用FPGA控制来实现量子点波形的VGA显示。由于FPGA技术的迅速发展，FPGA能够满足灵活性和稳定性的要求，在图像采集和处理方面得到了广泛的应用[3]。VGA显示具有分辨率高、显示速率快、颜色丰富等优点[4]，利用FPGA控制实现波形的VGA显示不仅能优化量子点波形的显示效果，而且系统具有结构简单、成本低、应用灵活的优点。本文的系统开发软件环境为Quartus Ⅱ11.0，采用的FPGA芯片型号为ALTERA Cyclone IV 系列，利用Verilog硬件描述语言实现对量子点VGA波形显示的控制；同时在量子点波形显示的基础上，利用FPGA控制实现对显示的波形图的任意节点做自动或者手动标记，从而进一步方便于制备量子点的实验。
1 系统原理
1.1 系统原理框图
在QuartusⅡ11.0的软件环境下，采用Cyclone IV 系列的FPGA芯片，并在此环境内搭载AD量子点波形数据采集模块、存储器模块、VGA控制模块、VGA显示模块、标记控制模块等。AD量子点波形数据采集模块将采集的量子点波形数据处理后存入存储器模块，通过定制存储器模块，可以将量子点波形的数据存入缓存中，VGA控制模块在时钟信号（CLK）的作用下通过HSYNC（行同步）、VSYNC（帧同步）信号和RGB数据来控制VGA显示器的显示，标记控制模块通过State Machine（状态机）和Counter（计数器）控制标记在整个屏幕的移动，系统原理框图如图1所示。
1.2 VGA显示原理
在FPGA设计中，只需利用很少的资源就能产生VGA的各种控制信号[5]，如时序、色彩、分辨率等。目前绝大多数的VGA显示器采用光栅扫描，即从上到下扫过每一行，在每一行内从左到右扫描。在VGA中，行同步脉冲在光栅扫描线需要回到屏幕的左边（水平开始位置）的时候插入，场同步脉冲在光栅扫描线需要回到屏幕的上方（垂直开始位置）的时候插入。VGA的色彩原理是通过对Red，Green，Blue三个颜色通道的变化以及它们之间的叠加来得到各种各样的颜色，通过三种颜色的亮度值从0～255的不同产生出其他各种颜色。RGB为像素数据，在没有图像投射到屏幕时插入消隐信号，当消隐信号有效时，RGB信号无效，屏幕不显示数据。
图2是VGA扫描行数据时序图，H是行同步脉冲信号。产生行同步脉冲信号HSYNC的周期H=H1+H2+ H3+H4，其中H1是同步信号时间，H2为消隐后肩时间，H3为数据有效时间，H4为行消隐前肩时间。场同步时序与行同步时序类似，即为显示一屏数据的时序。以分辨率640×480为例[6]，刷新频率为60 Hz，显示器每秒扫描60场数据，但是VGA在实际工作时并非每行扫描640个点，每场扫描480行数据，而是每行800个像素点[7]，每场525行数据。每行800个像素点中包括H4 16个点，H1 96个点，H2 48个点以及有效图像像素点H3 640个，场数据与此类似，由此点像素的时钟频率为：800×525×60 = 25.2 MHz。
2 量子点波形的VGA显示与标记
2.1 波形的显示
图3是经MBE设备生长的InGaAs量子点的STM扫描图（1 000 nm×1 000 nm）。图中的白色直线下的4个量子点是本实验所选取的4个实验点，实验所要显示的波形是这4个量子点的高度，显示的波形图能更加精确地反映InGaAs量子点的表面形貌以及量子点生长优劣。
STM?MBE联合系统的组成为生长量子点设备和扫描量子点设备，扫描设备又包含扫描显示和数据输出，数据输出部分有USB接口。本实验系统的AD量子点波形数据采集模块就是通过数据输出的USB接口采集量子点的高度扫描数据[8]。这些扫描数据存入存储器模块的缓存中[9]，通过VGA控制模块的读取和控制[10]。这些数据转化为波形并在VGA显示器上显示。图4是实验选取的4个量子点的波形图。由波形图可以看出，从左至右的4个量子点，第2个量子点的生长高度较其他3个较低，表面较凹，波形图比较直观地反映出了量子点的表面形貌，十分便于量子点生长实验的观测与分析。
2.2 波形的标记
在实际的量子点生长实验中，不仅需要观察量子点的STM扫描图、量子点高度的波形图， 也需要对某些量子点做标记，如标记生长的不好的量子点或者生长的符合要求的量子点。本文以选取的的4个量子点为例，利用FPGA控制实现量子点波形的自动标记和手动标记。
实现量子点波形的自动标记是利用VGA显示器光栅扫描从左至右，从上至下的扫描方式。如图5所示，在分辨率为H×V的VGA显示画面中，假设要分别对波形图上的A，B两点做自动标记，根据本实验中整条波形的RGB色彩是一致的特点，即为白色，即RGB色彩值为（255，255，255），Red为255，Green为255，Blue为255，设A点坐标为（XA，YA），则XA为扫描到的波形上的第1个点的横坐标，且YA为场方向上的纵坐标最小值，于是即可在此坐标值上做下标记；同理，对于B点，令B点坐标为（XB，YB），YB为场方向最后一行扫描到的波形上的第一个点的纵坐标，且YB为纵坐标最大值，于是即可在此坐标值做下标记。图6为加标记后的量子点波形图，通过FPGA的控制和Verilog HDL，圆形标记能自动添加在量子点波形的最高（最低）转折点和最高（最低）波峰点，这些标记有助于在量子点生长实验中分析量子点的生长优劣以及表面形貌的变化。
实现量子点波形的手动标记的重点在于标记的移动，本实验中VGA显示的分辨率为640×480，选取的时钟为25 MHz，则由于对应的周期为40 ns，标记移动速度太快，无法观测标记移动，经过多次实验，在Verilog状态机中选用18位的计数器，在FPGA的控制按键有效时，计数器每计到18个1时标记在VGA显示器上移动一个像素点，实现标记上下左右任意位置的移动。
在图6自动标记的基础上，利用Verilog HDL定义FPGA上的控制按键，通过不同按键的控制，可使标记灵活地进行自定义的移动。
3 结 语
本实验利用FPGA控制实现了STM?MBE量子点波形的VGA显示，且同时实现了量子点波形图的手动和自动标记，充分发挥了FPGA在实现图像采集与控制方面的优势。经实践证明实验方法易于操作，且显示效果好，成本低，十分便于在量子点生长实验中分析量子点的生长状况，描述量子点的表面形貌。本次实验采取的VGA分辨率为640×480。在实际的实验中，若单次显示的量子点数量较多，还可根据需求选用更大的分辨率。不仅可以提升显示效果，还能显示更多的波形，充分说明了此方法的灵活性与实用性。
参考文献
[1] BIMBERG D， GRUNDMANN M， LEDENTSOV N N. Quantum dot heterostructures [M]. USA： John Wiley & Sons， 1999.
[2] DING Z， BULLOCK D W， THIBADO P M， et al. Time?evolution of the GaAs （001） pre?roughening process [J]. Surface Science， 2003， 540（2/3）： 491?495.
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[8] 覃永新，陈文辉，章帆.实时视频数据采集的FPGA实现[J].电子技术应用，2009（9）：57?60.
[9] 王至秋.基于FPGA控制VGA显示的多通道数字示波器的设计[J].现代电子技术，2011，34（7）：55?57.
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[11] 李致金，吴文娟.VGA信号分配及远程传输系统[J].现代电子技术，2010，33（23）：168?170.
实现量子点波形的自动标记是利用VGA显示器光栅扫描从左至右，从上至下的扫描方式。如图5所示，在分辨率为H×V的VGA显示画面中，假设要分别对波形图上的A，B两点做自动标记，根据本实验中整条波形的RGB色彩是一致的特点，即为白色，即RGB色彩值为（255，255，255），Red为255，Green为255，Blue为255，设A点坐标为（XA，YA），则XA为扫描到的波形上的第1个点的横坐标，且YA为场方向上的纵坐标最小值，于是即可在此坐标值上做下标记；同理，对于B点，令B点坐标为（XB，YB），YB为场方向最后一行扫描到的波形上的第一个点的纵坐标，且YB为纵坐标最大值，于是即可在此坐标值做下标记。图6为加标记后的量子点波形图，通过FPGA的控制和Verilog HDL，圆形标记能自动添加在量子点波形的最高（最低）转折点和最高（最低）波峰点，这些标记有助于在量子点生长实验中分析量子点的生长优劣以及表面形貌的变化。
实现量子点波形的手动标记的重点在于标记的移动，本实验中VGA显示的分辨率为640×480，选取的时钟为25 MHz，则由于对应的周期为40 ns，标记移动速度太快，无法观测标记移动，经过多次实验，在Verilog状态机中选用18位的计数器，在FPGA的控制按键有效时，计数器每计到18个1时标记在VGA显示器上移动一个像素点，实现标记上下左右任意位置的移动。
在图6自动标记的基础上，利用Verilog HDL定义FPGA上的控制按键，通过不同按键的控制，可使标记灵活地进行自定义的移动。
3 结 语
本实验利用FPGA控制实现了STM?MBE量子点波形的VGA显示，且同时实现了量子点波形图的手动和自动标记，充分发挥了FPGA在实现图像采集与控制方面的优势。经实践证明实验方法易于操作，且显示效果好，成本低，十分便于在量子点生长实验中分析量子点的生长状况，描述量子点的表面形貌。本次实验采取的VGA分辨率为640×480。在实际的实验中，若单次显示的量子点数量较多，还可根据需求选用更大的分辨率。不仅可以提升显示效果，还能显示更多的波形，充分说明了此方法的灵活性与实用性。
参考文献
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实现量子点波形的自动标记是利用VGA显示器光栅扫描从左至右，从上至下的扫描方式。如图5所示，在分辨率为H×V的VGA显示画面中，假设要分别对波形图上的A，B两点做自动标记，根据本实验中整条波形的RGB色彩是一致的特点，即为白色，即RGB色彩值为（255，255，255），Red为255，Green为255，Blue为255，设A点坐标为（XA，YA），则XA为扫描到的波形上的第1个点的横坐标，且YA为场方向上的纵坐标最小值，于是即可在此坐标值上做下标记；同理，对于B点，令B点坐标为（XB，YB），YB为场方向最后一行扫描到的波形上的第一个点的纵坐标，且YB为纵坐标最大值，于是即可在此坐标值做下标记。图6为加标记后的量子点波形图，通过FPGA的控制和Verilog HDL，圆形标记能自动添加在量子点波形的最高（最低）转折点和最高（最低）波峰点，这些标记有助于在量子点生长实验中分析量子点的生长优劣以及表面形貌的变化。
实现量子点波形的手动标记的重点在于标记的移动，本实验中VGA显示的分辨率为640×480，选取的时钟为25 MHz，则由于对应的周期为40 ns，标记移动速度太快，无法观测标记移动，经过多次实验，在Verilog状态机中选用18位的计数器，在FPGA的控制按键有效时，计数器每计到18个1时标记在VGA显示器上移动一个像素点，实现标记上下左右任意位置的移动。
在图6自动标记的基础上，利用Verilog HDL定义FPGA上的控制按键，通过不同按键的控制，可使标记灵活地进行自定义的移动。
3 结 语
本实验利用FPGA控制实现了STM?MBE量子点波形的VGA显示，且同时实现了量子点波形图的手动和自动标记，充分发挥了FPGA在实现图像采集与控制方面的优势。经实践证明实验方法易于操作，且显示效果好，成本低，十分便于在量子点生长实验中分析量子点的生长状况，描述量子点的表面形貌。本次实验采取的VGA分辨率为640×480。在实际的实验中，若单次显示的量子点数量较多，还可根据需求选用更大的分辨率。不仅可以提升显示效果，还能显示更多的波形，充分说明了此方法的灵活性与实用性。
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