基于AVR的VGA顯示和激光打印系統(tǒng)

1、基于AVR的VGA顯示和激光打印系統(tǒng)    摘要：用ATMEGA128單片機結(jié)合CPLD實現(xiàn)了對VGA顯示器和激光打印機的控制，完成了在VGA顯示器上實時顯示字符和圖形的功能，并控制激光打印機實現(xiàn)了屏幕信息的打印輸出。本設(shè)計克服了單片機系統(tǒng)顯示和打印功能薄弱的缺點，為擴大其應(yīng)用范圍奠定了基礎(chǔ)，同時也為其他嵌入式系統(tǒng)的信息輸出提供了一種解決方案。 關(guān)鍵詞：VGA控制器；PCL命令語言；激光打?。籆PLD        隨著集成電路制造技術(shù)的不斷發(fā)展，MCU、ARM、DSP等微控制器、微處理器的性能

2、急劇提高，但是輸出功能，尤其是顯示和打印功能仍然比較薄弱，與PC機相比有較大的差距。輸出功能薄弱的缺點，限制了其應(yīng)用范圍的擴大。ATmega128是美國Atmel公司生產(chǎn)RISC 結(jié)構(gòu)的高性能MCU芯片，含有ADC、I2C、SPI、PWM等多種資源 1。本論文以ATMEGA128單片機為例，結(jié)合CPLD和高速SRAM，介紹在VGA顯示器上顯示字符、圖形信息和控制激光打印機打印輸出屏幕信息的方法。本設(shè)計克服了單片機系統(tǒng)信息輸出功能薄弱的缺點, 為單片機和其他嵌入式系統(tǒng)的信息輸出提供了一個解決方案，使得其應(yīng)用范圍更加廣闊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 1  VGA顯示控制器的實現(xiàn) &#

3、160;  PC機在VGA的顯示器(通常包括CRT和液晶顯示器)上的信息顯示是通過顯卡完成的。單片機在VGA顯示器上顯示信息同樣需要類似的模塊來輔助，因此我們設(shè)計了和顯卡功能相似的VGA顯示控制器來輔助ATMEGA128單片機在VGA顯示器上顯示信息。下面介紹640×480分辨率、59.9HZ刷新率的通用VGA顯示控制器的設(shè)計方法，并說明微控制器、微處理器如何在VGA接口的顯示器上顯示信息。1.1 VGA時序產(chǎn)生模塊的設(shè)計    要實現(xiàn)VGA顯示控制器的功能，首先需要了解VGA信號的參數(shù)和時序。圖2所示為640×480分辨率、59.9

4、HZ刷新率的VGA時序圖2。根據(jù)VGA時序圖，本論文研究并實現(xiàn)了VGA顯示控制器，所用硬件為Altera公司的EPM7128 CPLD和ISSI公司的高速SRAM。EPM7128的作用是通過編程產(chǎn)生VGA顯示所需的時序信號，并協(xié)助微控制器實現(xiàn)對顯存的讀寫操作。高速SRAM的作用是存儲需要顯示的數(shù)據(jù)信息，其讀寫周期為8ns，滿足顯示器刷新時對顯存進行快速讀寫的時間要求。設(shè)計中用一個bit代表一個象素，640×480分辨率需要37.5K字節(jié)的顯存。象素時鐘頻率的選擇與VGA監(jiān)視器的刷新頻率和分辨率相關(guān)，59.9HZ刷新率時，象素時鐘頻率為25.175MHZ，其計算公式為：時鐘頻率（行象素

5、數(shù)行消隱點數(shù)）×（一場行數(shù)消隱行數(shù)）×刷新率。    根據(jù)VGA信號的要求，用VHDL語言對EPM7128芯片編程實現(xiàn)VGA時序產(chǎn)生模塊。VGA時序產(chǎn)生模塊包括：每行的象素數(shù)目計數(shù)器h_cnt、每場的行數(shù)目計數(shù)器v_cnt、行同步信號hs產(chǎn)生模塊、場同步信號vs產(chǎn)生模塊、消隱信號blank產(chǎn)生模塊和并行輸入串行輸出模塊等。其中, h_cnt的最大計數(shù)值是799， v_cnt的最計數(shù)值是是524。行同步信號產(chǎn)生模塊根據(jù)h_cnt的計數(shù)值來產(chǎn)生行同步信號hs;場同步信號產(chǎn)生模塊根據(jù)v_cnt的計數(shù)值來產(chǎn)生場同步信號vs。消隱信號產(chǎn)生模塊根據(jù)h_cn

6、t的計數(shù)值在行同步期間、行消隱前肩和行消隱后肩,把消隱信號blank置為低電平；根據(jù)v_cnt的計數(shù)值在每一場的場同步期間、場消隱前肩和場消隱后肩,把消隱信號blank置為低電平；其余時間消隱信號blank為高電平，表示此時為有效顯示期。并行輸入串行輸出模塊在有效顯示期間從sram顯存中并行讀入數(shù)據(jù)，串行輸出的顯示器的紅、綠、藍信號線上。對該程序編譯成功后用MaxplussII軟件進行波形仿真，以驗證設(shè)計的合理與否。最后設(shè)計完成的時序波形仿真如圖3所示。圖 3 VGA顯示控制器時序仿真圖      從仿真波形圖種可以看到每一顯示行的時間為800

7、個象素時鐘周期，每場包括525行。行同步脈沖的寬度為96個象素時鐘周期，場同步脈沖的寬度為2行。在行同步信號hs的行同步期間及其前肩和后肩，消隱信號blank為低電平，表示消隱期。在場同步信號vs的場同步期間及其前肩和后肩，消隱信號blank同樣為低電平，表示消隱期。仿真結(jié)果符合VGA標準時序，項目實際應(yīng)用也證明了此結(jié)果的正確性。1.2 VGA顯示底層函數(shù)的編寫    要在屏幕上顯示信息，除VGA顯示控制器之外，還需要并在ATMEGA128單片機上設(shè)計底層繪圖函數(shù)并建立字符庫。通常編寫畫線、畫圓函數(shù)時，確定一個點是否在直線或圓上，需要乘、除法和開方運算，而畫線、畫

8、圓函數(shù)調(diào)用最為頻繁，因此計算量將大到難以接受的程度，極大降低系統(tǒng)的性能。為了克服上述缺點，在編寫底層繪圖函數(shù)時采用了圖形學(xué)上的Bresenham void circle(unsigned int x0,unsigned int y0,unsigned int r,unsigned char color)     register int x,y,deltax,deltay,d;x=0;y=r;deltax=3;deltay=2-r-r;d=1-r;        while(x<=y)&#

9、160;           drawpixel(x0+x,y0+y,color);              drawpixel(x0-x,y0+y,color);                  

10、0;           drawpixel(x0-x,y0-y,color);              drawpixel(x0+x,y0-y,color);                   

11、                 drawpixel(x0+y,y0+x,color);                             drawpixel(x0-y,y0

12、+x,color);              drawpixel(x0-y,y0-x,color);              drawpixel(x0+y,y0-x,color);             

13、 if(d<0)                     d+=deltax;      deltax+=2;                   

14、60; x+;                            else                       d+=

15、(deltax+deltay);                     deltax+=2;deltay+=2;                     x+;y-;  

16、0;                                畫線算法和中點畫圓法3，通過象素逼近，采用增量計算，使得確定點是否在直線或圓上的復(fù)雜運算變?yōu)榧臃ㄟ\算，非常適合微控制器的特點，極大得提高了繪圖速度。我們從Windows系統(tǒng)中提取了12×12和96×96象素的09數(shù)字字庫，16×16象素的常用

17、ASCII字符字庫。有了底層繪圖函數(shù)和字符庫，ATMEGA128單片機便可通過VGA顯示控制器實現(xiàn)在屏幕任意位置顯示圖形或者文字信息。右面是用ICCAVR編寫的ATMEGA128在VGA顯示器上實現(xiàn)中點畫圓法的例程及其實現(xiàn)示意圖。只需用增量法找到1/8圓上的點，其它點在中心對稱位置。2  激光打印機的控制    激光打印機是目前最常用輸出設(shè)備之一，和熱敏、噴墨打印機相比具有顯著的優(yōu)點，下面介紹用ATMEGA128微控制器直接控制激光打印機打印VGA顯示器屏幕內(nèi)容的方法。要控制打印機必須了解打印機命令語言。打印機語言指的是控制打印機工作的命令，它控制打印機

18、如何組織被打印的文檔，打印機按照這些命令來處理打印數(shù)據(jù)，并最終準確的打印出文字與圖像。2.1   PCL打印機命令語言    PCL打印機命令語言是世界上應(yīng)用最為廣泛的標準打印機命令語言，由惠普公司開發(fā)，支持文字、點陣圖像和矢量圖形的打印。PCL命令由2個以上的字符組成，總是以控制字符ESC開始，用符合EC 表示，其ASCII碼為27，所以PCL命令又被 圖 4 中點畫圓法示意圖稱作ESC序列。當打印機接收到字符EC時，表示開始接收一條控制命令。PCL命令包括“兩字符”命令序列和“參數(shù)化”命令序列兩種ESC序列。  

19、0; “兩字符”命令序列的格式如下：EC X，其中符號X代表ASCII碼48126的字符，即ASCII字符表中“0” 和“”之間的字符。符號X指示打印機需要進行的操作，例如命令“EC E”是打印機復(fù)位命令，命令“EC g”把紙張的左邊距和上邊距復(fù)位成默認值?！皡?shù)化”命令序列格式如下：EC X y z1 # z2 # z3 . # Zndata ，其中EC為起始字符，X是參數(shù)化字符，代表ASCII碼3347之間字符，其作用是指明該序列是“參數(shù)化”序列；y為組字符，代表ASCII碼96126之間字符，用來指定待執(zhí)行的操作屬于什么組；#是數(shù)值域，其范圍從-32767到65535；z i是本命令的參

20、數(shù)，代表ASCII碼從96126之間字符，該參數(shù)用于組合的“參數(shù)化”序列，非組合序列則不用，其作用是指定前面的數(shù)值域所用的參數(shù)；Zn是結(jié)束字符，表示“參數(shù)化”命令序列結(jié)束；data 是傳送到打印機的待打印數(shù)據(jù)，用8個bit表示，即為0255之間任意數(shù)據(jù)。下面兩例分別是非組合的“參數(shù)化”命令序列和組合的“參數(shù)化”命令序：1       2      1是非組合序列，不含參數(shù)。2是組合序列，由序列EC &l1O 和 EC&l2A組合而成，其中小寫的字符“o”是該序列的參數(shù)4。各種命令

21、序列的詳細說明見參考文獻4。2.2 打印屏幕    ATMEGA128單片機的IO口和激光打印機的并口由如下信號連接： Strobe、Busy、GND、D0D7共11根信號線。其中D0D7是數(shù)據(jù)線，單片機通過數(shù)據(jù)線把控制打印機的PCL命令和待打印數(shù)據(jù)傳送到打印機；Busy信號線指示打印機狀態(tài)是否繁忙；Strobe 信號線是選通控制線，單片機在Strobe 信號線上輸出一個低電平脈沖即可把D0D7上的數(shù)據(jù)寫人打印機。在論文的第一部分曾經(jīng)提到，VGA顯示器所顯示的內(nèi)容存儲在SRAM顯存中，每一個bit代表一個象素，因此打印屏幕就是把顯存中的數(shù)據(jù)打印出來。ATMEGA1

22、28單片機首先發(fā)送PCL語言的打印機設(shè)置命令，對打印進行設(shè)置，然后即可傳送打印數(shù)據(jù)。其步驟如下：1、發(fā)打印機復(fù)位命令；2、發(fā)設(shè)置紙張大小命令；3、發(fā)設(shè)置打印的起始位置命令；4、發(fā)設(shè)置分辨率命令；5、發(fā)設(shè)置打印機為點陣圖形模式命令；5、傳送要打印的數(shù)據(jù);6、發(fā)結(jié)束圖形模式命令；7、發(fā)換頁指令，打印當前頁。下面是ATMEGA128單片機對HP LASERJET6L激光打印機發(fā)送PCL命令，并控制打印機打印輸出VGA屏幕信息的例程：void print()unsigned int M; unsigned char i;   unsigned char xdata *p;p=NVRS;out(27);out('E');/打印機復(fù)位out(27); pprint("&l26A");/ 設(shè)置紙張為A4out(27); pprint("*p210X