FPGA學(xué)習(xí)系列：18. 數(shù)碼管的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)背景：

數(shù)碼管是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管。數(shù)碼管在我們的許多設(shè)計(jì)中都又用到，數(shù)碼管的顯示原理簡單和顯示效果清晰在我們的工業(yè)中的到了廣泛的應(yīng)用。

數(shù)碼管的應(yīng)用很廣泛，涉及眾多領(lǐng)域，我們就拿數(shù)顯儀表這個(gè)領(lǐng)域來講，數(shù)顯儀表是數(shù)字式顯示儀表的簡稱，顯示器常用的有LED、LCD為顯示元件。

設(shè)計(jì)原理:

本次的設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)碼管的顯示模，其設(shè)計(jì)原理圖如下：

數(shù)碼管顯示分為的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)顯示，為了讓人眼可以看清數(shù)碼管的顯示，我們一般驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的頻率為1K - 10K 之間。

顧名思義，七段數(shù)碼管就是使用七段點(diǎn)亮的線段來拼成常見的數(shù)字和某些字母，這種顯示方式我們?cè)?a target="_blank">數(shù)字電路中非常容易見到。再加上右下角顯示的小數(shù)點(diǎn)，實(shí)際上一個(gè)顯示單元包括了8根信號(hào)線。根據(jù)電路設(shè)計(jì)的不同，這些信號(hào)線可能高有效也可能低有效。我們通過FPGA控制這些線段的亮滅，達(dá)到顯示效果。

對(duì)于多個(gè)數(shù)碼管的顯示模塊，將每一個(gè)都連接到FPGA的管腳會(huì)耗用大量FPGA的管腳資源。因此我們同樣引入一種類似矩陣鍵盤的掃描方式。任何時(shí)刻我們只使用8根信號(hào)點(diǎn)亮一個(gè)數(shù)碼管，但是8個(gè)數(shù)碼管是隨著時(shí)鐘步調(diào)交替點(diǎn)亮的，只要時(shí)鐘的速度夠快，我們觀察到數(shù)碼管就好像幾個(gè)同時(shí)點(diǎn)亮一樣。

我們的開發(fā)板使用的動(dòng)態(tài)顯示來循環(huán)掃描顯示。其原理圖如下所示：

如圖所示，我們的開發(fā)板使用的是六位共陽極數(shù)碼管，六個(gè)PNP型三極管分別作為六組數(shù)碼管電源的輸入開關(guān)，也就是我們常說的位選信號(hào)，PNP三極管為低電平導(dǎo)通，所以我們的位選信號(hào)低有效。在這里，為了節(jié)約FPGA的IO資源，我們把六個(gè)位選信號(hào)連接到了三八譯碼器74HC138D。

從我們的板子硬件原理圖上我們可以看清，我們的數(shù)碼管是紅陽極，就是是給一個(gè)低電平就是點(diǎn)亮數(shù)碼管的一個(gè)段，那么8段全部給8’b0000000那么數(shù)碼管顯示的就是8這個(gè)數(shù)字了，我們用的是循環(huán)顯示，是通過sel引腳來選擇哪一個(gè)數(shù)碼管亮，也就是說我們的sel的三位為3’b000的時(shí)候也就是選擇第一個(gè)數(shù)碼亮，3’b001第二個(gè)數(shù)碼管亮依次類推。

設(shè)計(jì)架構(gòu)圖:

設(shè)計(jì)代碼:

頂層模塊

0moduleseg_x(clk,rst_n,sel,seg7);//頂層端口

1 inputclk; //輸入

2 inputrst_n;

3 output[2:0]sel; //輸出

4 output[7:0]seg7;

5

6 wire[23:0]num;

7

8 num_in num_in( //例化輸入模塊

9 .clk(clk),

10 .rst_n(rst_n),

11 .num(num)

12 );

13

14 seg seg( //例化數(shù)碼管模塊

15 .clk(clk),

16 .rst_n(rst_n),

17 .sel(sel),

18 .seg7(seg7),

19 .data_in(num)

20 );

21endmodule

設(shè)計(jì)模塊

0moduleseg(clk,rst_n,sel,seg7,data_in);//端口定義

1

2 inputclk;

3 inputrst_n;

4 input[23:0]data_in;//輸入6個(gè)燈的數(shù)據(jù)

5

6 outputreg[2:0]sel;

7 outputreg[7:0]seg7;

8

9 parameters0 =3'b000;

10 parameters1 =3'b001;

11 parameters2 =3'b010;

12 parameters3 =3'b011;

13 parameters4 =3'b100;

14 parameters5 =3'b101;

15

16 `defineT1ms 50_000 //定義1k的計(jì)數(shù)值

17 //`define T1ms 5

18 reg[15:0]count;

19 wireflag;

20 always@(posedgeclk ornegedgerst_n)

21 if(!rst_n)

22 begin

23 count <=15'b0;

24 end

25 else

26 if(count ==`T1ms-1)//計(jì)數(shù)到1MS

27 begin

28 count <=15'b0;

29 end

30 else

31 begin

32 count <=count +1'b1;

33 end

34

35 assignflag =(count ==`T1ms-1)?1'b1:1'b0;//標(biāo)志位賦值

36

37 reg[2:0]state;

38 reg[3:0]num;

39 always@(posedgeclk ornegedgerst_n)

40 if(!rst_n)

41 begin

42 sel <=3'b0;

43 state <=3'b0;

44 num <=4'b0;

45 end

46 else

47 begin

48 case(state)

49 s0:begin

50 if(flag)

51 state <=s1;//亮第一個(gè)燈，給24位數(shù)據(jù)的 4位

52 else

53 begin

54 sel <=3'b000;

55 num <=data_in[23:20];

56 end

57 end

58 s1:begin

59 if(flag) ////亮第2個(gè)燈，給24位數(shù)據(jù) 的4位

60 state <=s2;

61 else

62 begin

63 sel <=3'b001;

64 num <=data_in[19:16];

65 end

66 end

67 s2:begin

68 if(flag) //亮第3個(gè)燈，給24位數(shù)據(jù)的 4位

69 state <=s3;

70 else

71 begin

72 sel <=3'b010;

73 num <=data_in[15:12];

74 end

75 end

76 s3:begin

77 if(flag) //亮第4個(gè)燈，給24位數(shù)據(jù)的4位

78 state <=s4;

79 else

80 begin

81 sel <=3'b011;

82 num <=data_in[11:8];

83 end

84 end

85 s4:begin

86 if(flag) //亮第5個(gè)燈，給24位數(shù)據(jù)的4位

87 state <=s5;

88 else

89 begin

90 sel <=3'b100;

91 num <=data_in[7:4];

92 end

93 end

94 s5:begin

95 if(flag) //亮第6個(gè)燈，給24位數(shù)據(jù)的4位

96 state <=s0;

97 else

98 begin

99 sel <=3'b101;

100 num <=data_in[3:0];

101 end

102 end

103 default:state <=s0;

104 endcase

105 end

106

107 always@(*) //數(shù)碼管的譯碼模塊

108 begin

109 case(num)

110 0:seg7 =8'b1100_0000;

111 1:seg7 =8'b1111_1001;

112 2:seg7 =8'b1010_0100;

113 3:seg7 =8'b1011_0000;

114 4:seg7 =8'b1001_1001;

115 5:seg7 =8'b1001_0010;

116 6:seg7 =8'b1000_0010;

117 7:seg7 =8'b1111_1000;

118 8:seg7 =8'b1000_0000;

119 9:seg7 =8'b1001_0000;

120 10:seg7 =8'b1000_1000;

121 11:seg7 =8'b1000_0011;

122 12:seg7 =8'b1100_0110;

123 13:seg7 =8'b1010_0001;

124 14:seg7 =8'b1000_0110;

125 15:seg7 =8'b1000_1110;

126 default:;

127 endcase

128 end

129endmodule

輸入模塊

0modulenum_in(clk,rst_n,num);//端口定義

1 inputclk;

2 inputrst_n;

3

4

5 output[23:0]num;

6

7 assignnum =24'h123456;//給輸入一個(gè)值，便于下次直接調(diào)用

8

9

10

11endmodule

測(cè)試模塊

0`timescale1ns/1ps//時(shí)間精度

1

2moduleseg_tb;

3 regclk; //端口定義

4 regrst_n;

5

6

7 wire[2:0]sel;

8 wire[7:0]seg7;

9

10 initialbegin

11 clk =1'b1;

12 rst_n =1'b0;

13

14 #100.1rst_n =1'b1;

15

16 #200000

17 $stop;

18

19 end

20 always#10clk =~clk;//模擬時(shí)鐘

21

22 seg_x seg_x_dut( //例化頂層模塊

23 .clk(clk),

24 .rst_n(rst_n),

25 .sel(sel),

26 .seg7(seg7)

27 );

28endmodule

仿真圖:

在仿真中我們可以看到我們的設(shè)計(jì)是正確的，第一個(gè)燈亮的是f9，也就是也就是對(duì)應(yīng)數(shù)碼管顯示的是1，a4就是2,和我們的輸入是正確的。