基于FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示

引言：本文介紹數(shù)碼管顯示譯碼基本工作原理及Verilog HDL驅(qū)動(dòng)代碼編寫(xiě)，進(jìn)一步熟練掌握FPGA入門(mén)基礎(chǔ)知識(shí)。

1.概述

數(shù)碼管是顯示屏其中一類(lèi)，通過(guò)對(duì)其不同的管腳輸入相對(duì)的電流，會(huì)使其發(fā)亮，從而顯示出數(shù)字能夠顯示 時(shí)間、日期、溫度等所有可用數(shù)字表示的參數(shù)。

圖1：數(shù)碼管

由于它的價(jià)格便宜，使用簡(jiǎn)單，在電器特別是家電領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛，空調(diào)、熱水器、冰箱等等。絕大多數(shù)熱水器用的都是數(shù)碼管，其他家電也用液晶屏與熒光屏。

2. 硬件原理

如圖2所示，數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個(gè)發(fā)光二極管單元（多一個(gè)小數(shù)點(diǎn)顯示）。按能顯示多少個(gè)“8”可分為1 位、2 位、4 位等等數(shù)碼管。

如圖2所示，按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽(yáng)極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。

圖2：數(shù)碼管共陰極（左側(cè)）和共陽(yáng)極（右側(cè)）接法

共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管，共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極 COM接到地線 GND 上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮，當(dāng)某一字段的陽(yáng)極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。

共陽(yáng)數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽(yáng)極接到一起形成公共陽(yáng)極(COM)的數(shù)碼管，共陽(yáng)數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極COM 接到+3.3V（高電平），當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮，當(dāng)某一字段的陰極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。

圖3：4位數(shù)碼管共陽(yáng)極接法

如圖3所示，4位數(shù)碼管的每段全部連接在一起，如果想動(dòng)態(tài)控制每位數(shù)碼管，就不能將四位數(shù)碼管的COM端連接在一起，必須分別控制每位數(shù)碼管的COM端，即增加位選擇控制信號(hào)。8位數(shù)碼管共陽(yáng)極連接原理圖如圖4所示。

圖4：8位數(shù)碼管原理圖

如圖4所示，8位數(shù)碼管通過(guò)Sel[7..0]8個(gè)數(shù)據(jù)IO實(shí)現(xiàn)位選擇，通過(guò)Disp[7..0]8個(gè)數(shù)據(jù)IO實(shí)現(xiàn)段選擇。由于FPGA IO口驅(qū)動(dòng)電流能力弱，增加三極管可提高驅(qū)動(dòng)能力。

如圖4所示，基極為低電平，三極管導(dǎo)通，數(shù)碼管被選中，被選中的數(shù)碼管相應(yīng)的段發(fā)光顯示。由于4位數(shù)碼管的的數(shù)據(jù)端（ABCDEFG）是公用的，而每一位的數(shù)碼管的公共陽(yáng)極（COM）是單獨(dú)，若某一位數(shù)碼管顯示字符，則這一位的公共陽(yáng)極就要連接到低電平。

3. 軟件實(shí)現(xiàn)

數(shù)碼管顯示有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種方式。

在靜態(tài)顯示中，只考慮段選信號(hào)。在不同的時(shí)刻，各個(gè)位選信號(hào)保持不變，并根據(jù)真值表，選擇要顯示的數(shù)字或者字母。由于多位數(shù)碼管段信號(hào)是連在一起的，所以這種情況下每位數(shù)碼管顯示的內(nèi)容是想通過(guò)的。要想每位數(shù)碼管顯示不同內(nèi)容，只能采用動(dòng)態(tài)顯示方式。

在動(dòng)態(tài)顯示中，需要將位選信號(hào)考慮進(jìn)來(lái)。在不同的時(shí)刻，各個(gè)位的位選信號(hào)隨時(shí)改變，并根據(jù)真值表，選擇顯示不同的數(shù)字或者字母。

3.1 數(shù)碼管靜態(tài)顯示

根據(jù)圖4硬件原理圖，數(shù)碼管位選擇信號(hào)為低電平“0”時(shí)，同時(shí)數(shù)碼管段為低電平“0”時(shí)，點(diǎn)亮數(shù)碼管內(nèi)部LED發(fā)光二極管。

數(shù)碼管靜態(tài)顯示代碼如下所示。

/*************************************************
數(shù)碼管靜態(tài)顯示按鍵計(jì)數(shù)值。
*************************************************/
//位選信號(hào)     
assign segma_sel_o = 8'h00; //使能所有數(shù)碼管位   
//段選信號(hào),關(guān)閉DP點(diǎn)顯示  
always @(posedge sys_clk_i or negedge rst_n_i) begin       
  if(!rst_n_i) begin  
      segma_disp_o  <= 8'b0000001_1;       
    end
  else begin
??????case(cnt)?//按鍵計(jì)數(shù)值??
        4'd0: segma_disp_o  <= 8'b0000001_1; //"0"  
        4'd1: segma_disp_o  <= 8'b1001111_1; //"1"  
        4'd2: segma_disp_o  <= 8'b0010010_1; //"2"
        4'd3: segma_disp_o  <= 8'b0000110_1; //"3"
        4'd4: segma_disp_o  <= 8'b1001100_1; //"4"
        4'd5: segma_disp_o  <= 8'b0100100_1; //"5"
        4'd6: segma_disp_o  <= 8'b0100000_1; //"6"
        4'd7: segma_disp_o  <= 8'b0001111_1; //"7"
        4'd8: segma_disp_o  <= 8'b0000000_1; //"8"
        4'd9: segma_disp_o  <= 8'b0000100_1; //"9"
        4'd10: segma_disp_o <= 8'b0001000_1; //"A"
        4'd11: segma_disp_o <= 8'b1100000_1; //"B"
        4'd12: segma_disp_o <= 8'b0110001_1; //"C"
        4'd13: segma_disp_o <= 8'b1000010_1; //"D"
        4'd14: segma_disp_o <= 8'b0110000_1; //"E"
        4'd15: segma_disp_o <= 8'b0111000_1; //"F"        
      endcase   
    end
end

測(cè)試結(jié)果如下：

3.2 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示

數(shù)碼管動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)掃描顯示，實(shí)際上是利用了兩個(gè)現(xiàn)象：人眼的視覺(jué)暫留特性和數(shù)碼管的余暉效應(yīng)。人眼在觀察景物時(shí)，光信號(hào)傳入到大腦神經(jīng)需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，光的作用結(jié)束之后我們的視覺(jué)影像并不會(huì)立刻的消失，這種殘留的視覺(jué)被稱為后像，這種現(xiàn)象就被稱為視覺(jué)暫留；數(shù)碼管的余暉效應(yīng)是什么意思呢？當(dāng)我們停止向發(fā)光二極管供電時(shí)，發(fā)光二極管的亮度仍能夠維持一段時(shí)間。我們的動(dòng)態(tài)掃描利用這兩個(gè)特性就實(shí)現(xiàn)了數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示。

（1）數(shù)碼管位掃描控制代碼：編寫(xiě)計(jì)數(shù)器cnt_scanf，周期性產(chǎn)生數(shù)碼管選擇信號(hào)seg_wei_num，根據(jù)seg_wei_num解碼對(duì)應(yīng)的需要使能數(shù)碼管位segma_wei_o。

// 計(jì)數(shù)器，控制數(shù)碼管位
reg [23:0] cnt_scanf;
always @(posedge clk_i or negedge rst_n_i) begin
if(!rst_n_i) begin
    cnt_scanf <= 24'd0;
  end
else begin 
    if(cnt_scanf == timer_scanf_i) 
      cnt_scanf <= 24'd0;
    else
      cnt_scanf <= cnt_scanf + 24'd1;
  end
end


//數(shù)碼管掃描序號(hào)
reg [2:0] segma_wei_num; 
always @(posedge clk_i or negedge rst_n_i) begin
if(!rst_n_i) begin
    segma_wei_num <= 3'd0;
  end
else begin
    if(cnt_scanf == timer_scanf_i)
      segma_wei_num <= segma_wei_num + 3'd1;
    else
      segma_wei_num <= segma_wei_num;
  end
end


//解碼選中的數(shù)碼管
always @(posedge clk_i or negedge rst_n_i) begin
if(!rst_n_i) begin
    segma_wei_o <= 8'b1111_1111;
  end
else begin
    case(segma_wei_num)
      3'd0: segma_wei_o <= 8'b1110_1111; //選中第1個(gè)數(shù)碼管
      3'd1: segma_wei_o <= 8'b1101_1111; //選中第2個(gè)數(shù)碼管
      3'd2: segma_wei_o <= 8'b1011_1111; //選中第3個(gè)數(shù)碼管
      3'd3: segma_wei_o <= 8'b0111_1111; //選中第4個(gè)數(shù)碼管    
      3'd4: segma_wei_o <= 8'b1111_1110; //選中第5個(gè)數(shù)碼管
      3'd5: segma_wei_o <= 8'b1111_1101; //選中第6個(gè)數(shù)碼管
      3'd6: segma_wei_o <= 8'b1111_1011; //選中第7個(gè)數(shù)碼管
      3'd7: segma_wei_o <= 8'b1111_0111; //選中第8個(gè)數(shù)碼管
       default: segma_wei_o <= 8'b1111_1111;  
    endcase
  end
end

（2）數(shù)碼管段顯示控制代碼：根據(jù)當(dāng)前使能的數(shù)碼管位segma_wei_num，獲取當(dāng)前數(shù)碼管位需要顯示的數(shù)據(jù)信息led_duan，然后根據(jù)led_duan數(shù)據(jù)解碼映射到需要顯示的每段發(fā)光二極管，數(shù)碼管DP段單獨(dú)控制。

//獲取當(dāng)前數(shù)碼管位DP段
always @(*) begin
  case(segma_wei_num)
    3'd0: segma_duan_o[0] <= i_led0_data[4]; // 第1個(gè)數(shù)碼管DP段數(shù)據(jù)
    3'd1: segma_duan_o[0] <= i_led1_data[4]; // 第2個(gè)數(shù)碼管DP段數(shù)據(jù)    
    3'd2: segma_duan_o[0] <= i_led2_data[4]; // 第3個(gè)數(shù)碼管DP段數(shù)據(jù)
    3'd3: segma_duan_o[0] <= i_led3_data[4]; // 第4個(gè)數(shù)碼管DP段數(shù)據(jù)    
    3'd4: segma_duan_o[0] <= i_led4_data[4]; // 第5個(gè)數(shù)碼管DP段數(shù)據(jù)
    3'd5: segma_duan_o[0] <= i_led5_data[4]; // 第6個(gè)數(shù)碼管DP段數(shù)據(jù)    
    3'd6: segma_duan_o[0] <= i_led6_data[4]; // 第7個(gè)數(shù)碼管DP段數(shù)據(jù)
    3'd7: segma_duan_o[0] <= i_led7_data[4]; // 第8個(gè)數(shù)碼管DP段數(shù)據(jù)    
  endcase
end


//獲取當(dāng)前數(shù)碼管位其他段數(shù)據(jù)
reg [3:0] led_duan;
always @(*) begin
  case(segma_wei_num)
    3'd0: led_duan <= i_led0_data[3:0]; // 第1個(gè)數(shù)碼管其他段數(shù)據(jù)
    3'd1: led_duan <= i_led1_data[3:0]; // 第2個(gè)數(shù)碼管其他段數(shù)據(jù)    
    3'd2: led_duan <= i_led2_data[3:0]; // 第3個(gè)數(shù)碼管其他段數(shù)據(jù)
    3'd3: led_duan <= i_led3_data[3:0]; // 第4個(gè)數(shù)碼管其他段數(shù)據(jù)    
    3'd4: led_duan <= i_led4_data[3:0]; // 第5個(gè)數(shù)碼管其他段數(shù)據(jù)
    3'd5: led_duan <= i_led5_data[3:0]; // 第6個(gè)數(shù)碼管其他段數(shù)據(jù)    
    3'd6: led_duan <= i_led6_data[3:0]; // 第7個(gè)數(shù)碼管其他段數(shù)據(jù)
    3'd7: led_duan <= i_led7_data[3:0]; // 第8個(gè)數(shù)碼管其他段數(shù)據(jù)    
  endcase
end


//解碼數(shù)碼管段數(shù)據(jù)
always @(*) begin
  case(led_duan)
      4'd0: segma_duan_o[7:1]  <= 7'b0000001; //"0" 
      4'd1: segma_duan_o[7:1]  <= 7'b1001111; //"1"
      4'd2: segma_duan_o[7:1]  <= 7'b0010010; //"2"
      4'd3: segma_duan_o[7:1]  <= 7'b0000110; //"3"
      4'd4: segma_duan_o[7:1]  <= 7'b1001100; //"4"
      4'd5: segma_duan_o[7:1]  <= 7'b0100100; //"5"
      4'd6: segma_duan_o[7:1]  <= 7'b0100000; //"6"
      4'd7: segma_duan_o[7:1]  <= 7'b0001111; //"7"
      4'd8: segma_duan_o[7:1]  <= 7'b0000000; //"8"
      4'd9: segma_duan_o[7:1]  <= 7'b0000100; //"9"
      4'd10: segma_duan_o[7:1] <= 7'b0001000; //"A"
      4'd11: segma_duan_o[7:1] <= 7'b1100000; //"B"
      4'd12: segma_duan_o[7:1] <= 7'b0110001; //"C"
      4'd13: segma_duan_o[7:1] <= 7'b1000010; //"D"
      4'd14: segma_duan_o[7:1] <= 7'b0110000; //"E"
      4'd15: segma_duan_o[7:1] <= 7'b0111000; //"F"    
  endcase
end