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2.6 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描--明德?lián)P至簡設(shè)計(jì)法原理與應(yīng)用

2022-12-27 06:38 作者:明德?lián)P易老師 0人讀過 | 我要投稿

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1.至簡原理與應(yīng)用配套的案例文檔

2.實(shí)現(xiàn)開發(fā)板上數(shù)碼管顯示的功能，使8個(gè)數(shù)碼管有規(guī)律的按照時(shí)間進(jìn)行顯示。復(fù)位后，數(shù)碼管0顯示數(shù)字“0”;1秒后，數(shù)碼管1顯示數(shù)字"1";再1秒后，數(shù)碼管2顯示數(shù)字"2"；以此類推，每隔疫苗變化一次，最后當(dāng)數(shù)碼管7顯示數(shù)字"7"后再次回到數(shù)碼管0顯示"0"；按這樣的規(guī)律循環(huán)。
3. 這是ALTERA入門學(xué)習(xí)案例文檔

第二階段? 項(xiàng)目實(shí)踐?

led數(shù)碼管（LED Segment Displays）是由多個(gè)發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在內(nèi)部連接完成，只引出它們的各個(gè)筆劃，公共電極。led數(shù)碼管常用段數(shù)一般為7段，如上圖中的abcdefg，有的還會(huì)有一個(gè)小數(shù)點(diǎn)，如圖中的h。

圖?240

數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各個(gè)段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字。按發(fā)光二極管單元連接方式可分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管，共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極COM接到+5V，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。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)光二極管的陽極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮，當(dāng)某一字段的陽極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。

下表列出了要顯示的數(shù)字，以及對應(yīng)的abcdefg的值。

例如，共陽數(shù)碼管中，abcdefg的值分別是1001111時(shí)，也就是b和c字段亮，其他字段不亮，這時(shí)就顯示了數(shù)字“1”。

如果要顯示多個(gè)數(shù)碼管，根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩類。

靜態(tài)驅(qū)動(dòng)也稱直流驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)是指每個(gè)數(shù)碼管的每一個(gè)段碼都由一個(gè)單片機(jī)的I/O端口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者使用如BCD碼二-十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是編程簡單，顯示亮度高，缺點(diǎn)是占用I/O端口多，如驅(qū)動(dòng)5個(gè)數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要5×8=40根I/O端口來驅(qū)動(dòng)，要知道一個(gè)89S51單片機(jī)可用的I/O端口才32個(gè)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須增加譯碼驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，增加了硬件電路的復(fù)雜性。

數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的I/O線控制，當(dāng)要輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是哪個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。通過分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的COM端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為1～2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。

明德?lián)P開發(fā)板上一共有2組4位的共陽數(shù)碼管，也就是說一共有8個(gè)共陽數(shù)碼管。數(shù)碼管的配置電路如下。

圖?241

圖中的SEG_A，SEG_B~SEG_DP，是段選信號，這些信號都是8個(gè)數(shù)碼管共用的。

DIG1~DIG8是位選信號，分別對應(yīng)8個(gè)數(shù)碼管。對應(yīng)的位選信號為0，就表示將段選信號的值賦給該數(shù)碼管。例如DIG3為0，表示將段選信號SEG_A~SEG_DP的值賦給數(shù)碼管3。

SEG_A~SEG_DP，DIG1~DIG8，都是連接到電阻，如下圖。

圖?242

由此可見，SEG_A~SEG_DP是由SEG0~SEG7產(chǎn)生的，DIG1~DIG8是由DIG_EN1~DIG_EN8產(chǎn)生的。

而SEG0~SEG7和DIG_EN1~DIG_EN8直接連到FPGA的IO上。

圖?243

這些信號與FPGA管腳的對應(yīng)關(guān)系如下表。

也就是說，F(xiàn)PGA通過控制上面中的管腳，就控制了數(shù)碼管的顯示。

2?設(shè)計(jì)目標(biāo)

開發(fā)板或者模塊是有8位數(shù)碼管，本次設(shè)計(jì)需要使用8個(gè)數(shù)碼管，實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示功能，具體要求如下：

復(fù)位后，數(shù)碼管0顯示數(shù)字0；1秒后，輪到數(shù)碼管1顯示數(shù)字1；1秒后，輪到數(shù)碼管2顯示數(shù)字2；以此類推，每隔1秒變化，最后是數(shù)碼管7顯示數(shù)字7。然后再次循環(huán)。

上板效果圖如下圖所示。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖?244

3?設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1?頂層信號

新建目錄：D:mdy_bookmy_seg。在該目錄中，新建一個(gè)名為my_seg.v的文件，并用GVIM打開，開始編寫代碼。

我們要實(shí)現(xiàn)的功能，概括起來就是控制8個(gè)數(shù)碼管，讓數(shù)碼管顯示不同的數(shù)字。要控制8個(gè)數(shù)碼管，就需要控制位選信號，即FPGA要輸出一個(gè)8位的位選信號，設(shè)為seg_sel，其中seg_sel[0]對應(yīng)數(shù)碼管0，seg_sel[1]對應(yīng)數(shù)碼管1，以此類推，seg_sel[7]對應(yīng)數(shù)碼管7。

要顯示不同的數(shù)字，就需要控制段選信號，不需要用到DP，一共有7根線，即FPGA要輸出一個(gè)7位的段選信號，設(shè)為seg_ment，seg_ment[6]~segm_ment[0]分別對應(yīng)數(shù)碼管的abcdefg（注意對應(yīng)順序）。我們還需要時(shí)鐘信號和復(fù)位信號來進(jìn)行工程控制。

綜上所述，我們這個(gè)工程需要4個(gè)信號，時(shí)鐘clk，復(fù)位rst_n，輸出的位選信號seg_sel和輸出的段選信號seg_ment。其中，seg_sel和seg_ment的對應(yīng)關(guān)系下如下：

將module的名稱定義為my_seg。并且我們已經(jīng)知道該模塊有4個(gè)信號：clk、rst_n、seg_sel和seg_ment，代碼如下：

其中clk、rst_n是1位的輸入信號，seg_sel是8位的輸出信號，seg_ment是7位的輸出信號，根據(jù)此，補(bǔ)充輸入輸出端口定義。代碼如下：

3.2?信號設(shè)計(jì)

我們先分析要實(shí)現(xiàn)的功能，數(shù)碼管0顯示數(shù)字0，翻譯成信號就是seg_sel的值為8’b1111_1110，seg_ment的值為7’b000_0001。數(shù)碼管1顯示數(shù)字1，也就是說seg_sel的值為8’b1111_1101，seg_ment的值為7’b100_1111。以此類推，數(shù)碼管7顯示數(shù)字7，就是seg_sel的值為8’b0111_1111，seg_ment的值為7’b000_1111。

再留意下，以上都是每隔1秒進(jìn)行變化，并且是8個(gè)數(shù)碼管輪流顯示，那么波形示意圖如下圖所示。

上圖就是seg_sel和seg_seg信號的變化波形圖。在顯示第1個(gè)時(shí)，seg_sel=8’hfe，seg_ment=7’h01并持續(xù)1秒；在第1個(gè)時(shí)，seg_sel=8’hfd，seg_ment=7’h4f并持續(xù)1秒；以此類推，第8個(gè)時(shí)，seg_sel=8’h7f，seg_ment=7’h0f并持續(xù)1秒。然后又再次重復(fù)。

由波形圖可知，我們需要1個(gè)計(jì)數(shù)器用來計(jì)算1秒的時(shí)間。本工程的工作時(shí)鐘是50MHz，即周期為20ns，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到1_000_000_000/20=50_000_000個(gè)，我們就能知道1秒時(shí)間到了。另外，由于該計(jì)數(shù)器是不停地計(jì)數(shù)，永遠(yuǎn)不停止的，可以認(rèn)為加1條件一直有效，可寫成：assign add_cnt==1。綜上所述，該計(jì)數(shù)器的代碼如下。

再次觀察波形圖，我們發(fā)現(xiàn)有第1個(gè)，第2個(gè)直到第8個(gè)，說明這還需要另外一個(gè)計(jì)數(shù)器來表示第幾個(gè)。該計(jì)數(shù)器表示第幾個(gè)，自然是完成1秒就加1，因?yàn)榧?條件可為end_cnt0。該計(jì)數(shù)器一共要數(shù)8次。所以代碼為：

有了兩個(gè)計(jì)數(shù)器，我們來思考輸出信號seg_sel的變化。概括起來，在第1次的時(shí)候輸出值為8’hfe；在第2次的時(shí)候輸出值為8’hfd；以此類推，在第8次的時(shí)候輸出值為8’h7f。我們用信號cnt1來代替第幾次，也就是：當(dāng)cnt1==0的時(shí)候，輸出值為8’hfe；在cnt1==1的時(shí)候輸出值為8’hfd；以此類推，在cnt1==7的時(shí)候輸出值為8’h7f。再進(jìn)一步翻譯成代碼，就變成如下：

讀者有沒有發(fā)現(xiàn)，上面代碼基本上和文字描述是一模一樣的，這進(jìn)一步展現(xiàn)了verilog是“硬件描述語言”。上面的代碼是能正確實(shí)現(xiàn)seg_sel功能的，從實(shí)現(xiàn)角度和資源角度來說，都挺好。但代碼進(jìn)一步概括，可以化簡如下：

對上面代碼解釋一下，第131行是指先將8’b1向左移位，再取反后的值，賦給seg_sel。假設(shè)此時(shí)cnt1等于0，那么8’b1<<0的結(jié)果是8’b0000_0001，取反的值為8’hfe；假設(shè)cnt1等于3，那么8’b1<<3的結(jié)果為8’b000_1000，取反后的結(jié)果為8’b1111_0111，即8’hf7。與第一種寫法的結(jié)果都是相同的。

我們來思考輸出信號seg_ment的變化。概括起來，在第1次的時(shí)候輸出值為7’h01；在第2次的時(shí)候輸出值為7’h4f；以此類推，在第8次的時(shí)候輸出值為7’h0f。我們用信號cnt1來代替第幾次，也就是：當(dāng)cnt1==0的時(shí)候，輸出值為7’h01；在cnt1==1的時(shí)候輸出值為7’h4f；以此類推，在cnt1==7的時(shí)候輸出值為7’h0f。再進(jìn)一步翻譯成代碼，就變成如下：

上面的代碼正確地實(shí)現(xiàn)了seg_ment的功能，對于本工程說已經(jīng)完美。但我們分析一下，就知道上面代碼實(shí)現(xiàn)了類似譯碼的功能，將數(shù)字設(shè)成數(shù)碼管顯示的值，代碼里只對0~7進(jìn)行譯碼。很自然的，我先做一個(gè)通用的譯碼模塊，將0~9都進(jìn)行譯碼，以后就方便調(diào)用了。例如改成下面代碼。

然后我們只要控制好data就能實(shí)現(xiàn)想要在數(shù)碼管顯示的數(shù)字，如下面代碼。

當(dāng)cnt1=0，則數(shù)碼管會(huì)顯示0。當(dāng)cnt1=1，則數(shù)碼管會(huì)顯示1。

在代碼的最后一行寫下endmodule

至此，主體程序已經(jīng)完成。接下來是將module補(bǔ)充完整。

3.3?信號定義

接下來定義信號類型。

cnt0是用always產(chǎn)生的信號，因此類型為reg。cnt0計(jì)數(shù)的最大值為50_000_000，需要用26根線表示，即位寬是26位。add_cnt0和end_cnt0都是用assign方式設(shè)計(jì)的，因此類型為wire。并且其值是0或者1，1個(gè)線表示即可。因此代碼如下：

cnt1是用always產(chǎn)生的信號，因此類型為reg。cnt1計(jì)數(shù)的最大值為7，需要用3根線表示，即位寬是3位。add_cnt1和end_cnt1都是用assign方式設(shè)計(jì)的，因此類型為wire。并且其值是0或者1，1根線表示即可。因此代碼如下：

seg_sel是用always方式設(shè)計(jì)的，因此類型為reg，其一共有8根線，即位寬為8。因此代碼如下：

seg_ ment是用always方式設(shè)計(jì)的，因此類型為reg，其一共有7根線，即位寬為7。因此代碼如下：

如果做了譯碼電路，即用到了data這個(gè)信號。那么data是用assign設(shè)計(jì)的，所以類型為wire，其最大值為9，所以需要4位位寬。代碼如下：

至此，整個(gè)代碼的設(shè)計(jì)工作已經(jīng)完成。下一步是新建工程和上板查看現(xiàn)象。

4?綜合與上板

4.1?新建工程

（1.)點(diǎn)擊File?在File菜單中選擇New Project Wizard....

圖?245

2.彈出Introduction界面選擇next

圖?246

(2.)工程文件夾，工程名，頂層模塊名設(shè)置界面

點(diǎn)擊next之后進(jìn)入此界面

按如下路徑建立文件夾D：/my_seg

點(diǎn)擊“選擇工程文件夾（what is the working directory for this project?）”后面的

鍵找到之前建立的立文件夾D：/my_seg

將工程名命名欄（what is the name of this project）中輸入“my_seg”

在頂層模塊命名欄（what is the name of the top-level design entity for this project?This name is case sensitive and must exactly match the entity name in the design file）中輸入“my_seg”

5.命名完畢后點(diǎn)擊next，在出現(xiàn)的界面選擇empty project。