基于fpga量子点波形vga显示和标记方法探究

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1、基于FPGA量子点波形VGA显示和标记方法探究　　摘要：提出一种基于FPGA和硬件描述语言VerilogHDL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；VerilogHDL；VGA显示；量子点；波形显示与标记中图分类号

2、：TN710?34文献标识码：A文章编号：1004?373X（2014）06?0101?03量子点（QuantumDot，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]，8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

3、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QuartusⅡ11.0，采用的FPGA芯片型号为ALTERACycloneIV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

4、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CycloneIV8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StateMachine（

5、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。1.2VGA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

6、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+8H3+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60Hz，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

7、中包括H416个点，H196个点，H248个点以及有效图像像素点H3640个，场数据与此类似，由此点像素的时钟频率为：800×525×60=25.2MHz。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（1000nm×1000nm）。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