FPGA数码管动态扫描附件详细讲解

电路

数码管动态扫描

一、项目背景
led数码管（LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只引出它们的各个笔划，公共电极。led数码管常用段数一般为7段，如上图中的abcdefg，有的还会有一个小数点，如图中的h。
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.png
数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字。按发光二极管单元连接方式可分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管，共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。
下表列出了要显示的数字，以及对应的abcdefg的值。

  显示
  数字
     共阳abcdefg
  2进制
     共阳abcdefg
  16进制
     共阴abcdefg
  2进制
     共阴abcdefg
  16进制

  0
     7’b0000001
     7’h01
     7’b 1111110
     7’h7e

  1
     7’b 1001111
     7’h4f
     7’b 0110000
     7’h30

  2
     7’b 0010010
     7’h12
     7’b 1101101
     7’h6d

  3
     7’b 0000110
     7’h06
     7’b 1111001
     7’h79

  4
     7’b 1001100
     7’h4c
     7’b 0110011
     7’h33

  5
     7’b 0100100
     7’h24
     7’b 1011011
     7’h5b

  6
     7’b 0100000
     7’h20
     7’b 1011111
     7’h3f

  7
     7’b 0001111
     7’h0f
     7’b 1110000
     7’h70

  8
     7’b 0000000
     7’h00
     7’b 1111111
     7’h7f

  9
     7’b 0000100
     7’h04
     7’b 1111011
     7’h7b


例如，共阳数码管中，abcdefg的值分别是1001111时，也就是b和c字段亮，其他字段不亮，这时就显示了数字“1”。
如果要显示多个数码管，根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。
静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8=40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。
数码管动态显示接口是应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当要输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是哪个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。
明德扬开发板上一共有2组4位的共阳数码管，也就是说一共有8个共阳数码管。数码管的配置电路如下。
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.jpg
图中的SEG_A，SEG_B~SEG_DP，是段选信号，这些信号都是8个数码管共用的。
DIG1~DIG8是位选信号，分别对应8个数码管。对应的位选信号为0，就表示将段选信号的值赋给该数码管。例如DIG3为0，表示将段选信号SEG_A~SEG_DP的值赋给数码管3。
SEG_A~SEG_DP，DIG1~DIG8，都是连接到电阻，如下图。
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image006.jpg
由此可见，SEG_A~SEG_DP是由SEG0~SEG7产生的，DIG1~DIG8是由DIG_EN1~DIG_EN8产生的。

而SEG0~SEG7和DIG_EN1~DIG_EN8直接连到FPGA的IO上。
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image007.png

这些信号与FPGA管脚的对应关系如下表。

  信号线
     信号线
     FPGA管脚

  SEG_E
     SEG0
     Y6

  SEG_DP
     SEG1
     W6

  SEG_G
     SEG2
     Y7

  SEG_F
     SEG3
     W7

  SEG_D
     SEG4
     P3

  SEG_C
     SEG5
     P4

  SEG_B
     SEG6
     R5

  SEG_A
     SEG7
     T3

  DIG1
     DIG_EN1
     T4

  DIG2
     DIG_EN2
     V4

  DIG3
     DIG_EN3
     V3

  DIG4
     DIG_EN4
     Y3

  DIG5
     DIG_EN5
     Y8

  DIG6
     DIG_EN6
     W8

  DIG7
     DIG_EN7
     W10

  DIG8
     DIG_EN8
     Y10


也就是说，FPGA通过控制上面中的管脚，就控制了数码管的显示。

二、设计目标
开发板或者模块是有 8 位数码管，本次设计需要使用 8 个数码管，实现数码管显示功能，具体要求如下：
复位后，数码管 0 显示数字 0；1 秒后，轮到数码管 1 显示数字 1；1 秒后，轮到数码管 2 显示数字 2；以此类推，每隔 1 秒变化，最后是数码管 7 显示数字 7。然后再次循环。

上板效果图如下图所示。
上板的演示效果，请登陆网址查看：www.mdy-edu.com/xxxx。

file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image009.jpgfile:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image011.jpgfile:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image013.jpgfile:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image015.jpg
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image017.jpgfile:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image019.jpgfile:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image021.jpgfile:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image023.jpg
三、模块设计
我们要实现的功能，概括起来就是控制8个数码管，让数码管显示不同的数字。要控制8个数码管，就需要控制位选信号，即FPGA要输出一个8位的位选信号，设为seg_sel，其中seg_sel[0]对应数码管0，seg_sel[1]对应数码管1，以此类推，seg_sel[7]对应数码管7。
要显示不同的数字，就需要控制段选信号，不需要用到DP，一共有7根线，即FPGA要输出一个7位的段选信号，设为seg_ment，seg_ment[6]~segm_ment[0]分别对应数码管的abcdefg（注意对应顺序）。
我们还需要时钟信号和复位信号来进行工程控制。
综上所述，我们这个工程需要4个信号，时钟clk，复位rst_n，输出的位选信号seg_sel和输出的段选信号seg_ment。其中，seg_sel和seg_ment的对应关系下如下：

  信号线
     信号线
     FPGA管脚
     内部信号

  SEG_E
     SEG0
     Y6
     seg_ment[2]

  SEG_DP
     SEG1
     W6
     未用到

  SEG_G
     SEG2
     Y7
     seg_ment[0]

  SEG_F
     SEG3
     W7
     seg_ment[1]

  SEG_D
     SEG4
     P3
     seg_ment[3]

  SEG_C
     SEG5
     P4
     seg_ment[4]

  SEG_B
     SEG6
     R5
     seg_ment[5]

  SEG_A
     SEG7
     T3
     seg_ment[6]

  DIG1
     DIG_EN1
     T4
     seg_sel[0]

  DIG2
     DIG_EN2
     V4
     seg_sel[1]

  DIG3
     DIG_EN3
     V3
     seg_sel[2]

  DIG4
     DIG_EN4
     Y3
     seg_sel[3]

  DIG5
     DIG_EN5
     Y8
     seg_sel[4]

  DIG6
     DIG_EN6
     W8
     seg_sel[5]

  DIG7
     DIG_EN7
     W10
     seg_sel[6]

  DIG8
     DIG_EN8
     Y10
     seg_sel[7]


我们先分析要实现的功能，数码管0显示数字0，翻译成信号就是seg_sel的值为8’b1111_1110，seg_ment的值为7’b000_0001。数码管1显示数字1，也就是说seg_sel的值为8’b1111_1101，seg_ment的值为7’b100_1111。以此类推，数码管7显示数字7，就是seg_sel的值为8’b0111_1111，seg_ment的值为7’b000_1111。
再留意下，以上都是每隔1秒进行变化，并且是8个数码管轮流显示，那么波形示意图如下图所示。

file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image025.png
上图就是seg_sel和seg_seg信号的变化波形图。在显示第1个时，seg_sel=8’hfe，seg_ment=7’h01并持续1秒；在第1个时，seg_sel=8’hfd，seg_ment=7’h4f并持续1秒；以此类推，第8个时，seg_sel=8’h7f，seg_ment=7’h0f并持续1秒。然后又再次重复。
由波形图可知，我们需要1个计数器用来计算1秒的时间。本工程的工作时钟是50MHz，即周期为20ns，计数器计数到1_000_000_000/20=50_000_000个，我们就能知道1秒时间到了。另外，由于该计数器是不停地计数，永远不停止的，可以认为加1条件一直有效，可写成：assignadd_cnt==1。综上所述，该计数器的代码如下。
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image027.jpg
再次观察波形图，我们发现有第1个，第2个直到第8个，说明这还需要另外一个计数器来表示第几个。该计数器表示第几个，自然是完成1秒就加1，因为加1条件可为end_cnt0。该计数器一共要数8次。所以代码为：
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image029.jpg
有了两个计数器，我们来思考输出信号seg_sel的变化。概括起来，在第1次的时候输出值为8’hfe；在第2次的时候输出值为8’hfd；以此类推，在第8次的时候输出值为8’h7f。我们用信号cnt1来代替第几次，也就是：当cnt1==0的时候，输出值为8’hfe；在cnt1==1的时候输出值为8’hfd；以此类推，在cnt1==7的时候输出值为8’h7f。再进一步翻译成代码，就变成如下：
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image030.png
读者有没有发现，上面代码基本上和文字描述是一模一样的，这进一步展现了verilog是“硬件描述语言”。上面的代码是能正确实现seg_sel功能的，从实现角度和资源角度来说，都挺好。但代码进一步概括，可以化简如下：
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image031.png
对上面代码解释一下，第131行是指先将8’b1向左移位，再取反后的值，赋给seg_sel。假设此时cnt1等于0，那么8’b1<<0的结果是8’b0000_0001，取反的值为8’hfe；假设cnt1等于3，那么8’b1<<3的结果为8’b000_1000，取反后的结果为8’b1111_0111，即8’hf7。与第一种写法的结果都是相同的。

我们来思考输出信号seg_ment的变化。概括起来，在第1次的时候输出值为7’h01；在第2次的时候输出值为7’h4f；以此类推，在第8次的时候输出值为7’h0f。我们用信号cnt1来代替第几次，也就是：当cnt1==0的时候，输出值为7’h01；在cnt1==1的时候输出值为7’h4f；以此类推，在cnt1==7的时候输出值为7’h0f。再进一步翻译成代码，就变成如下：
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image032.png
上面的代码正确地实现了seg_ment的功能，对于本工程说已经完美。但我们分析一下，就知道上面代码实现了类似译码的功能，将数字设成数码管显示的值，代码里只对0~7进行译码。很自然的，我先做一个通用的译码模块，将0~9都进行译码，以后就方便调用了。例如改成下面代码。
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image033.png

然后我们只要控制好data就能实现想要在数码管显示的数字，如下面代码。
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image034.png
当cnt1=0，则数码管会显示0。当cnt1=1，则数码管会显示1。
在代码的最后一行写下endmodule
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image035.png
至此，主体程序已经完成。接下来是将module补充完整。
将module的名称定义为my_seg。并且我们已经知道该模块有4个信号：clk、rst_n、seg_sel和seg_ment，代码如下：
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image036.png

其中clk、rst_n是1位的输入信号，seg_sel是8位的输出信号，seg_ment是7位的输出信号，根据此，补充输入输出端口定义。代码如下：
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image037.png

接下来定义信号类型。
cnt0是用always产生的信号，因此类型为reg。cnt0计数的最大值为50_000_000，需要用26根线表示，即位宽是26位。add_cnt0和end_cnt0都是用assign方式设计的，因此类型为wire。并且其值是0或者1，1个线表示即可。因此代码如下：
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image038.png
cnt1是用always产生的信号，因此类型为reg。cnt1计数的最大值为7，需要用3根线表示，即位宽是3位。add_cnt1和end_cnt1都是用assign方式设计的，因此类型为wire。并且其值是0或者1，1根线表示即可。因此代码如下：
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image039.png
seg_sel是用always方式设计的，因此类型为reg，其一共有8根线，即位宽为8。因此代码如下：
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image040.png
seg_ ment是用always方式设计的，因此类型为reg，其一共有7根线，即位宽为7。因此代码如下：
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image041.png

如果做了译码电路，即用到了data这个信号。那么data是用assign设计的，所以类型为wire，其最大值为9，所以需要4位位宽。代码如下：
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image042.png

至此，整个代码的设计工作已经完成。下一步是新建工程和上板查看现象。
四、综合工程和上板
新建工程
（1.)点击File 在File菜单中选择New Project Wizard....
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image044.jpg
2.弹出Introduction界面选择next
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image046.jpg

(2.)工程文件夹，工程名，顶层模块名设置界面
点击next之后进入此界面
按如下路径建立文件夹E：/quartus_project/project_seg
点击“选择工程文件夹（what is theworking directory for this project?）”后面的file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image047.png键找到之前建立的立文件夹E：/quartus_project/project_seg
将工程名命名栏（what is the nameof this project）中输入“my_seg”
在顶层模块命名栏（what is the nameof the top-level design entity for this project?This name is case sensitive andmust exactly match the entity name in the design file）中输入“my_seg”
5.命名完毕后点击next
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image049.jpg
(3.)文件添加界面
1.从上一界面进入此界面之后点击file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image047.png浏览文件夹
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image051.jpg
2.找到我们之前写的.v文件之后选中它并点击打开
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image053.jpg
之后点击add添加此.v文件
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image055.jpg
(4.)器件选择界面
1.在Device family这一项之中选择 Cyclone IV E
2.在下部的Available device 选择EP4CE6F17C8这一项
完成后点击next
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image057.jpg
EDA工具界面（采用默认配置即可）
点击next
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image059.jpg

总结界面
直接点击next即可
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image061.jpg
综合
1.点击file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image062.png此键进行编译
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image064.jpg
之后等待编译成功点击ok
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image065.png
配置管脚
编译成功后配置管脚
点击图中位置（pin planer键）进入管脚配置界面
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image067.jpg
在下图红框区域配置管脚
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image069.jpg
按下图内容进行管脚配置

  信号线
     信号线
     FPGA管脚
     内部信号

  SEG_E
     SEG0
     Y6
     seg_ment[2]

  SEG_DP
     SEG1
     W6
     未用到

  SEG_G
     SEG2
     Y7
     seg_ment[0]

  SEG_F
     SEG3
     W7
     seg_ment[1]

  SEG_D
     SEG4
     P3
     seg_ment[3]

  SEG_C
     SEG5
     P4
     seg_ment[4]

  SEG_B
     SEG6
     R5
     seg_ment[5]

  SEG_A
     SEG7
     T3
     seg_ment[6]

  DIG1
     DIG_EN1
     T4
     seg_sel[0]

  DIG2
     DIG_EN2
     V4
     seg_sel[1]

  DIG3
     DIG_EN3
     V3
     seg_sel[2]

  DIG4
     DIG_EN4
     Y3
     seg_sel[3]

  DIG5
     DIG_EN5
     Y8
     seg_sel[4]

  DIG6
     DIG_EN6
     W8
     seg_sel[5]

  DIG7
     DIG_EN7
     W10
     seg_sel[6]

  DIG8
     DIG_EN8
     Y10
     seg_sel[7]


布局布线
管脚配置完毕后再次点击file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image062.png此键进行编译
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image071.jpg
连接开发板
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image073.jpg
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image075.jpg
上板
右键Program Device 选择Open 进入烧录界面
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image077.jpg

2.点击startfile:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image078.png开始烧录程序
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image080.jpg
Progress这一栏变为绿色显示百分之百successful即代表烧录成功
file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image082.jpg

ArsenFPGA · 2018-10-3 12:16:07

感谢老铁！

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