小梅哥和你一起深入學習FPGA之數(shù)碼管動態(tài)掃描（上）

　　在電子系統(tǒng)中，通常都需要有輸出設備來輸出或顯示一定的信息，以指示當前系統(tǒng)運行的狀態(tài)。在以單片機和ARM為主的電子系統(tǒng)中，液晶屏是理想的輸出設備。而FPGA則因為其獨特的硬件結(jié)構(gòu)，如果用RTL級電路來驅(qū)動彩色液晶屏來顯示一定的數(shù)據(jù)，勢必是非常不劃算的選擇，而且驅(qū)動也極為復雜。數(shù)碼管作為一種能夠直觀顯示一定數(shù)據(jù)信息的輸出設備，具有驅(qū)動簡單，顯示直觀的特點，尤其適合作為FPGA系統(tǒng)的輸出設備。本節(jié)，小梅哥就將和大家一起進行數(shù)碼管驅(qū)動的開發(fā)。

　　實驗目的

　　實現(xiàn)6位7段數(shù)碼管的驅(qū)動，待顯示數(shù)據(jù)以BCD格式輸入。數(shù)碼管刷新時鐘為1KHz。實驗使用了4個獨立按鍵作為輸入，通過按鍵來改變需要數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)，以驗證數(shù)碼管驅(qū)動的正確性，同時也可檢驗獨立按鍵消抖模塊的可靠性。

　　實驗原理

　　數(shù)碼管所謂的動態(tài)掃描，就是利用人眼的視覺暫留特性，在人眼能分辨的變化速度以外，快速分時的點亮各個數(shù)碼管對應的段。因為分別點亮所有數(shù)碼管一次所用時間小于人眼的視覺暫留，因此，在人們眼里看來，這些數(shù)碼管都是同時持續(xù)點亮的，并不會有閃爍的感覺。

　　圖2-1 數(shù)碼管實物圖

　　關(guān)于數(shù)碼管的具體原理，請大家網(wǎng)上查閱，小梅哥一個人精力有限，沒辦法在這里從最低層的原理給大家一步一步講起，如果大家有不明白的，請自行百度。這里小梅哥就用最簡單粗暴的方式給大家簡單介紹一下。

　　圖2-2 數(shù)碼管簡單等效電路

　　上圖為3位7段數(shù)碼管的等效電路圖，在這個圖中，可以明顯的看到24個發(fā)光二極管被分為了三組，每一組的8個發(fā)光二極管正極被接在了一起，通過一個三極管與VCC相連。三極管的基極連接到了FPGA的IO上，因此，只需要FPGA對應的IO上給出低電平，三極管便會導通。而三組LED中所有的相同編號的LED的負極被連接在了一起，并接到了FPGA的IO上。如果我們希望將最左邊一組的led0、led5、led7三個編號的led燈點亮，其它led不亮，則只需要給Q0的基極(sel0)連接上低電平，并將led0、led5、led7的負極(a、f、h)連接上低電平，其它所有端口都輸出高電平，則最左邊一組的對應的三個led燈就會被點亮，而其它led則會處于熄滅狀態(tài)。

　　假如我們需要在三秒時間內(nèi)，完成以下三次操作：第一次操作，點亮最左邊一組led燈的led0、led5、led7;第二次操作，點亮中間一組led燈的led1、led2、led3;第三次操作，點亮最右邊一組led燈的led2、led4、led6;那么我們只需要按照如下表格中列出的真值表操作即可：

　　第一秒第二秒第三秒

　　sel0011

　　sel1101

　　sel2110

　　a011

　　b101

　　c100

　　d101

　　e110

　　f011

　　g110

　　h011

　　按照以上表格，我們就能知道該如何操作了，只需要在不同的時間給各個IO不同的電平，便能實現(xiàn)我們想要的亮滅組合。以上我們是以1秒為單位進行l(wèi)ed組的切換的，假如我們將切換速度加快，變?yōu)?毫秒一切換，會是什么情況呢?在1毫秒一切換的速度下，完成所有操作所需時間為3ms，遠遠超出了我們?nèi)搜鬯鼙孀R的變化速度范圍。如果我們讓以上三個操作永遠循環(huán)的進行下去，那么我們將看見三組led燈中，我們點亮的那幾個led是同時且一直處于亮著的狀態(tài)的，這便是動態(tài)掃描的原理，假如我們把每個led做成一個長條型的，并按照如下形狀擺放，便就是我們常見的數(shù)碼管了。

　　圖2-3 數(shù)碼管段分布

　　硬件設計

　　圖2-2只是一個為了講述數(shù)碼管原理簡化了的電路模型，常見的數(shù)碼管電路結(jié)構(gòu)如下圖所示：

　　圖3-1 數(shù)碼管典型電路

　　在這個圖中，共有6位數(shù)碼管，每個數(shù)碼管的正極被接在一個驅(qū)動三極管上，三極管的基極連接到三八譯碼器的Y端，則FPGA只需要三個引腳就可最多控制8個數(shù)碼管的位選。數(shù)碼管的段選在串接了470歐姆的電阻后與FPGA的IO相連。這里470歐姆的電阻主要起到限流的作用，保證流過數(shù)碼管的電流在正常范圍內(nèi)。

　　架構(gòu)設計

　　本實驗由總共四個模塊組成，分別為數(shù)碼管驅(qū)動模塊、獨立按鍵檢測模塊、控制模塊和頂層模塊，其架構(gòu)如下：

　　圖4-1 led實驗模塊組織結(jié)構(gòu)圖

　　由圖可知本實驗有1個輸出端口，對應驅(qū)動了38譯碼器的三個選擇端和數(shù)碼管的8個段選腳。6個輸入端口，對應了4個獨立按鍵輸入和一個時鐘輸入以及一個復位輸入。詳細端口名及其意義如下

　　代碼組織方式

　　本實驗中，數(shù)碼管的驅(qū)動采用了組合邏輯譯碼的方式進行，具體將在代碼解讀時講解。

　　實驗中還設計了一個控制器，該控制器主要通過讀取按鍵信息來改變待數(shù)碼管待顯示的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

　　按鍵檢測部分使用前一節(jié)開發(fā)的獨立按鍵的驅(qū)動，因此這里不進行過多的分析介紹。

　　關(guān)鍵代碼解讀

　　因為數(shù)碼管屬于低速設備，其正常的掃描頻率為500~10KHz，掃描頻率太快，會導致系統(tǒng)功耗增加，顯示效果變暗。掃描頻率太慢，會有明顯的閃爍感。本實驗通過調(diào)試觀察，選擇以1KHz作為掃描頻率，實際顯示效果非常好。

　　因此本實驗首先就需要產(chǎn)生一個1KHz的掃描時鐘，該時鐘由系統(tǒng)時鐘分頻得到。產(chǎn)生1KHz掃描時鐘的代碼如下：

　　parameter system_clk = 50_000_000;

　　localparam cnt1_MAX = system_clk/1000/2-1;

　　//1KHz時鐘分頻計數(shù)器

　　always@(posedge Clk)

　　begin

　　if(!Rst_n)cnt1<=0;

　　else if(cnt1==cnt1_MAX)cnt1<=0;

　　else cnt1<=cnt1+1'b1;

　　end

　　//得到1KHz時鐘

　　always@(posedge Clk or negedge Rst_n)

　　if(!Rst_n)clk_1K<=0;

　　else if(cnt1==cnt1_MAX)

　　clk_1K<=~clk_1K;//翻轉(zhuǎn)掃描時鐘信號

　　else ;

　　其中，定義了一個全局參數(shù)system_clk，該參數(shù)為Clk的頻率，不同的時鐘頻率，只需要更改該參數(shù)，就可改變分頻計數(shù)器的最大計數(shù)值，以保證1KHz分頻的精準性。

　　在驅(qū)動中，數(shù)碼管的位選以掃描時鐘的速率進行切換，因為只有6位數(shù)碼管，因此當位選計數(shù)到6-1后必須清零從頭開始計數(shù)。相關(guān)代碼如下：

　　//位選信號控制

　　always@(posedge clk_1K or negedge Rst_n)

　　if(!Rst_n)sel_r<=3'd0;

　　else if(sel_r == 3'd5)

　　sel_r<=3'd0;

　　else

　　sel_r<=sel_r+1'b1;

　　每個數(shù)碼管需要顯示的內(nèi)容都不相同，由Data中相應的位指定，Data中各位與數(shù)碼管的位對應關(guān)系如下：

　　Data位Data[23:20]Data[19:16]Data[15:12]Data[11:8]Data[7:4]Data[3:0]

　　數(shù)碼管位數(shù)碼管0數(shù)碼管1數(shù)碼管2數(shù)碼管3數(shù)碼管4數(shù)碼管5

　　因此需要從Data中將每個數(shù)碼管被選中時需要顯示的數(shù)據(jù)提取出來，提取數(shù)據(jù)的代碼如下所示：

　　//根據(jù)不同的數(shù)碼管位選擇不同的待顯示數(shù)據(jù)

　　always@(*)

　　if(!Rst_n)

　　disp_data<=4'd0;

　　else

　　begin

　　case(sel_r)

　　0:disp_data<=Data[23:20];

　　1:disp_data<=Data[19:16];

　　2:disp_data<=Data[15:12];

　　3:disp_data<=Data[11:8];

　　4:disp_data<=Data[7:4];

　　5:disp_data<=Data[3:0];

　　default :disp_data<=4'd0;

　　endcase

　　end

　　因為提取出來的數(shù)據(jù)還是BCD碼的形式，還需要將BCD碼對應的數(shù)據(jù)翻譯成為數(shù)碼管顯示對應字符時應該點亮或熄滅的對應的LED的控制信號，因此必須還有一個BCD碼譯碼的過程，該過程代碼如下圖所示：

　　//數(shù)據(jù)譯碼，將待顯示數(shù)據(jù)翻譯為符合數(shù)碼管顯示的編碼

　　always@(*)

　　if(!Rst_n)

　　seg_r<=8'hff;

　　else

　　begin

　　case(disp_data)

　　4'd0: seg_r<=8'hc0;

　　4'd1: seg_r<=8'hf9;

　　4'd2: seg_r<=8'ha4;

　　4'd3: seg_r<=8'hb0;

　　4'd4: seg_r<=8'h99;

　　4'd5: seg_r<=8'h92;

　　4'd6: seg_r<=8'h82;

　　4'd7: seg_r<=8'hf8;

　　4'd8: seg_r<=8'h80;

　　4'd9: seg_r<=8'h90;

　　4'd10: seg_r<=8'h88;

　　4'd11: seg_r<=8'h83;

　　4'd12: seg_r<=8'hc6;

　　4'd13: seg_r<=8'ha1;

　　4'd14: seg_r<=8'h86;

　　4'd15: seg_r<=8'h8e;

　　default : seg_r<=8'hff;

　　endcase

　　end

　　最后，需要將位選和段選信號輸出：

　　assign Dig_Led_seg = seg_r;

　　assign Dig_Led_sel = sel_r;

　　控制部分相對簡單，只需要根據(jù)對應的 按鍵信息，給待顯示的數(shù)據(jù)加上一個對應的值，該部分代碼如下所示：

　　always @(posedge Clk or negedge Rst_n)

　　if(!Rst_n)

　　Dig_Led_Data <= 24'd0;

　　else if(Key_Flag)

　　begin

　　case(Key_Value)

　　4'b0001:Dig_Led_Data <= Dig_Led_Data + 23'd1;

　　4'b0010:Dig_Led_Data <= Dig_Led_Data + 23'd100;

　　4'b0100:Dig_Led_Data <= Dig_Led_Data + 23'd10000;

　　4'b1000:Dig_Led_Data <= Dig_Led_Data + 23'd100000;

　　default:Dig_Led_Data <= Dig_Led_Data;

　　endcase

　　end