VGA на Arduino

VGA это сокращение от Video Graphics Array, протокола отображения видео, который часто встречается в мире электроники. В VGA используется одна "частота следования пикселей" и установленная частота вывода видео данных горизонтально, строка за строкой, пока весь кадр не будет отображен, а потом всё начинается снова.

В прошлом я построил много проектов основанных на VGA, но никогда не использовал его с Arduino, поэтому в этом проекте мы будем использовать платформу Arduino UNO для имитации VGA сигнала при помощи непосредственно С кода. Это абсолютно не похоже на то, как это реализовано в видеокартах,  но это интересная задача, чтобы увидеть, на сколько хорошо мы знаем и понимаем Arduino и AVR микроконтроллеры, а также VGA протокол. Работа устройства показана на видео.

Цель и обзор этого проекта

Целью данного проекта является использование Arduino UNO для вывода стандартного изображения с красным, зеленым и синим цветом на компьютерный VGA монитор. Кроме Arduino UNO я использовал небольшую плату с VGA разъемом, которую я сделал для своего предыдущего проекта «Видеокарта для мазохиста», чтобы легче подключать монитор.

Для того, чтобы вывести красный, зеленый и синий цвета на компьютерный VGA монитор, мы должны договориться о разрешении, которое мы будем пытаться имитировать. Например, 800x600 удобно, т.к. используются целые круглые числа, и частота следования пикселей составляет 40МГц. И можно имитировать VGA разрешение 800x600 и выводить 200 линий красного, 200 линий зеленого и 200 линий синего цветов. Поскольку Arduino UNO работает на частоте 16МГц, невозможно получить доступ к каждому пикселю, поэтому мы будем выводить целиком линии.

Элементы:
Arduino UNO
Плата с VGA разъемом
Перемычки (провода)
Компьютерный VGA монитор
Разъем для батареи +9В
Разъем для батарей

Подробный список элементов

Все элементы, используемые в этом проекте перечислены выше, но основные элементы описаны более подробно.

Arduino UNO
Arduino Uno это микроконтроллер, который делает всю работу в этом проекте, выполняет наш код и выдает VGA сигналы, соответствующие тому, что мы хотим вывести на монитор без особых проблем.

Плата с VGA разъемом
Эта плата изначально была сделана для моего проекта Видеокарта для мазохиста, чтобы легко подключать монитор, но я пишу всё больше и больше статьей на тему VGA, поэтому он чрезвычайно полезен.

Перемычки
Обычные перемычки. Мы будем использовать их для подключения Arduino к VGA монитор. Также можно использовать провода со штырьками или крокодильчиками.

Обзор схемы

Это один из тех случаев, когда схема проекта очень мала, потому что большая часть работы происходит в программе. Несколько необходимых соединений показаны на схеме.

Особенности схемы

RGB соединения
В VGA используется смешивание красного зеленого и синего цветов для получения всех цветов радуги. Параметры на каждом из этих контактов показывают монитору, насколько интенсивно должен гореть этот цвет. Мы не регулируем интенсивность  цвета, поэтому у нас всегда для каждого из цветов 100% красного, 100% зеленого или 100% синего.

Hsync и Vsync соединения
Для того чтобы знать, какая линия сейчас отображается и завершен ли кадр, используется два сигнала синхронизации: ​​горизонтальная синхронизация H-SYNC и вертикальная синхронизация V-SYNC. Это самые важные сигналы, и если их тайминги будут нарушены, то VGA выход не будет работать как надо.

GND соединения
В VGA разъеме есть много GND выводов для разработчиков,  чтобы сделать профессиональный VGA контроллер. Но для того, что мы делаем, нужно всего лишь подключить GND к 5 контакту. Всё!

Основы теории VGA

В спецификации VGA описывается отображение цветовых данных, горизонтальной и вертикальной синхронизации, и об определенном времени на каждое действие, которое нельзя пропускать.
Arduino UNO тактируется кварцевым генератором 16МГц и одна инструкция выполняться за один цикл, что означает, что каждая инструкция в нашей программе будет выполняться точно за (1/16000000) секунды или примерно 62,5 наносекунды.

Так как каждая инструкция выполняется 62,5 наносекунды, и мы должны проводить синхронизацию в определенное время, важно, что каждое время с картинки выше делиться на 62,5 наносекунды, а это значит, что мы можем использовать инструкции с задержкой, чтобы получить идеальное время для синхронизации.

При использовании 800x600VGA, каждая строка заканчивается горизонтальным импульсом синхронизации, который сообщает монитору данные следующей строки. После синхронизации 601 линии, монитор ожидает импульс вертикальной синхронизации  продолжительностью 4 линии. В этот момент есть пауза в 23 линии. Благодаря вертикальной синхронизации и задней площадки строчного гасящего импульса, линии отображаются, но информация о цвете не используется.

Аппаратная часть

Это наверно одна из самых простых собранных схем, о которых я писал. Берите Arduino UNO, перемычки и VGA разъем и начинайте сборку!

Сборка схемы
На фотографии вы можете видеть все детали, необходимые для сборки схемы, приведенной ранее. Сначала подключите GND к 5 контакту VGA разъема. Потом подключите контакты красного, зеленого и синего цветов. Наконец, соединения Hsync и Vsync выполнены, и монитор может понять, в каком разрешении и в какой момент вы хотите отобразить что то на нём. Я использую плату от своего предыдущего проекта. О её изготовлении можно узнать здесь.

Аппаратная часть готова. Давайте перейдем к программной части и посмотрим, как всё это реализовано.

Программная часть

Есть две основных части кода, которые вы увидите, объяснить и подробно описаны ниже:
   - Цвет для циклов + Hsync
   - Вертикальная синхронизация

3 цикла используются для создания трех различных цветов, которые отображаются на экране. Вот выдержка из кода для генерации 200 линий красного цвета. Время указано в комментариях, и вы можете легко увидеть соответствие.

      while(i < 200){
            //Green Color High
          GREEN_ON;      
            
            //2.2uS Back Porch
          delayMicroseconds(2);
          __asm__("nop\n\t""nop\n\t""nop\n\t""nop\n\t""nop\n\t""nop\n\t");
          
            //20uS Color Data
          delayMicroseconds(20); // 1uS        
          
            //Green Color Low
          GREEN_OFF;  //Low
          
            //1uS Front Porch
          delayMicroseconds(1); // 1uS 
          i++;
          
            //3.2uS Horizontal Sync
          HSYNC_HIGH;  //HSYNC High
          delayMicroseconds(3);
          __asm__("nop\n\t""nop\n\t""nop\n\t""nop\n\t""nop\n\t""nop\n\t""nop\n\t""nop\n\t");
          HSYNC_LOW;  //HSYNC Low
          
            //26.4uS Total
      }

В следующем отрывке кода видно, что вертикальная синхронизация выглядит почти так же, как вывод обычных горизонтальных линий. Разница в том, что вместо того, что бы считаться в пикселях, как Hsync (128 пикселей), вертикальная синхронизация считается в линиях (4 линии).

        //VSYNC High
      VSYNC_HIGH;
        //4 Lines Of VSYNC   
      while(i<4){         
            //2.2uS Back Porch    
          delayMicroseconds(2);
          __asm__("nop\n\t""nop\n\t""nop\n\t""nop\n\t""nop\n\t""nop\n\t");
          
            //20 uS Of Color Data
          delayMicroseconds(20);// 20uS
          
            //1uS Front Porch
          delayMicroseconds(1); // 1uS
          i++;
          
            //HSYNC for 3.2uS
          HSYNC_HIGH;  //High
          delayMicroseconds(3);
          __asm__("nop\n\t""nop\n\t""nop\n\t""nop\n\t""nop\n\t""nop\n\t""nop\n\t""nop\n\t");
          HSYNC_LOW;  //Low  
          
            //26.4uS Total
      }
      
        //Clear The i counter
      i=0;
        //VSYNC Low
      VSYNC_LOW;

Это основная часть кода, но его больше, и вы можете ознакомиться с ним, скачав исходник. Мы написали программу, собрали аппаратную часть, и теперь пришло время проверить устройство и посмотреть на его работу!

Результат работы и примечания

На видео показан вывод VGA сигнала с Arduino UNO на компьютерный VGA монитор. Никаких уловок и трюков, просто работа программы, и сигналы синхронизации.

Красный, зеленый и синий цвета появляются на мониторе сразу после включения питания без искажений. Надеюсь, этого достаточно, чтобы убедить вас, что эта система действительно работает, и мы выводим VGA 800x600 @ 60 Гц.

Обзор VGA на основе Arduino

Как вы уже поняли, VGA довольно трудно выводить при помощи Arduino в разрешении 800x600, а получение полноценной картинки используя только Arduino в принципе невозможно, но мы используем гибкость VGA в нашу пользу и выводим упрощенные вещи. На экран выводятся красный, зеленый и синий цвета, доказывая, что мы можем выводить упрощенный VGA.

Что теперь делать?
Я не рекомендовал бы тратить слишком много времени на вывод VGA сигналов при помощи Arduino, так как это получается намного сложнее из-за требований к таймингам. В конечном счете вы, вероятно, разочаруетесь в этом методе.  Есть много VGA контроллеров, с которыми Arduino может взаимодействовать, что сильно упрощает вывод вещей на VGA монитор. Я уверен, что есть Arduino shield, дающий такую возможность.

Заключение
Если мы перечитаем цели данной статьи, то мы поймем, что у нас всё получилось. Три цвета на экране, как и ожидалось. Программа была довольно сложной, но реализуемой. Однако, динамический VGA выход намного интереснее...

Оригинал статьи

Теги:

• Перевод
• VGA
• Arduino