【每周FPGA案例】至简设计系列_7段数码管显示

明德扬吴老师 · 发表于 2020-8-11 21:25:24

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【上板现象】
7段数码管显示在MP801的上板现象

https://www.bilibili.com/video/BV1Af4y117H4?p=20

7段数码管显示在点拨开发板的上板现象

https://www.bilibili.com/video/BV1Af4y117H4?p=19

7段数码管显示在实验箱的上板现象

https://www.bilibili.com/video/BV1Af4y117H4?p=21

【设计教程】

至简设计系列_7段数码管显示

--作者：肖肖肖

本文为明德扬原创及录用文章，转载请注明出处！

1.1 总体设计1.1.1 概述

LED数码管以发光二极管作为发光单元，颜色有单红，黄，蓝，绿，白，黄绿等效果，并且可以构造成“8”字形。数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。

数码管可以通过驱动电路来驱动内部的各个段码，从而显示出需要的数字。根据数码管驱动方式的不同，可以将其分为静态式和动态式两类。

1.1.2 设计目标

完成数码管的显示，具体功能要求如下：

1. 间隔1s切换数码管位选，做到数码管从左到右流动显示的效果；

2. 数码管显示的数值从0开始，每切换一位位选数值加一；

1.1.3信号列表

信号名	I/O	位宽	定义
clk	I	1	系统工作时钟 50M
rst_n	I	1	系统复位信号，低电平有效
segment	O	8	8位数码管段选信号。由低到高，分别表示数码管的a,b,c,d,e,f,g,dp，低电平时，点亮对应段位。
seg_sel	O	8	8位数码管位选信号，低电平时，对应位置数码管点亮。

1.1.4设计思路

Ø 数码管显示原理

数码管的8个显示字段”a、b、c、d、e、f、g、h”对应显示面板的位置如下图所示。

数码管显示数字0到9对应的gfedcba值如下表所示。

表5- 1 数码管显示数字与字段值的对应关系

显示数字	共阳gfedcba 2进制	共阳gfedcba 16进制	共阴gfedcba 2进制	共阴gfedcba 16进制
0	7’b1000000	7’h40	7’b 0111111	7’h3f
1	7’b 1111001	7’h79	7’b 0000110	7’h06
2	7’b 0100100	7’h42	7’b 1011011	7’h5b
3	7’b 0110000	7’h30	7’b 1001111	7’h4f
4	7’b 0011001	7’h19	7’b 1100110	7’h66
5	7’b 0010010	7’h12	7’b 1101101	7’h6d
6	7’b 0000010	7’h02	7’b 1111101	7’h7d
7	7’b 1111000	7’h78	7’b 0000111	7’h07
8	7’b 0000000	7’h00	7’b 1111111	7’h7f
9	7’b 0010000	7’h10	7’b 1101111	7’h6f

数码管静态驱动是指每个数码管的每一个段码都通过一个I/O端口进行驱动，或使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动，也称直流驱动。静态驱动编程简单，显示亮度高，但占用的I/O端口多，这里不使用这种方法。

数码管动态驱动是将所有数码管的8个显示字段"a、b、c、d、e、f、g、h"的同名端连接在一起，此外每个数码管的公共极COM需增加由各自独立I/O线控制的位选通控制电路。当要输出某一字形码时，所有数码管都会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。只需将显示数码管的选通控制打开，该位就会显示出字形，而没有选通的数码管并不会点亮。数码管特定的发光二极管段加上电压后，这些特定的段就会发亮，并且当每位元数码管的点亮时间为1～20ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，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资料，不会有闪烁感，使得动态显示的效果和静态显示是一样的，这样能够节省大量的I/O口，而且功耗更低。

以下是MP801开发板对应的数码管原理图，并且是共阳极的数码管：

Ø 工程架构

根据设计目标将现象翻译成信号表示如下：

第1秒，数码管0显示数字“0”，即seg_sel的值为8’b1111_1110，seg_ment的值为8’b1100_0000；

第2秒，数码管1显示数字“1”，即seg_sel的值为8’b1111_1101，seg_ment的值为8'b1111_1001；

第3秒，数码管2显示数字“2”，即seg_sel的值为8’b1111_1011，seg_ment的值为8'b1010_0100；

第4秒，数码管3显示数字“3”，即seg_sel的值为8’b1111_0111，seg_ment的值为8'b1011_0000；

第5秒，数码管4显示数字“4”，即seg_sel的值为8’b1110_1111，seg_ment的值为8'b1001_1001；

第6秒，数码管5显示数字“5”，即seg_sel的值为8’b1101_1111，seg_ment的值为8'b1001_0010；

第7秒，数码管6显示数字“6”，即seg_sel的值为8’b1011_1111，seg_ment的值为8'b1000_0010；

第8秒，数码管7显示数字“7”，即seg_sel的值为8’b0111_1111，seg_ment的值为8'b1111_1000；

第九秒，回到数码管0显示数字“0”，以此进行循环。

总结发现，数码管每隔1秒进行变化，且8个数码管轮流显示。

因此本工程用到了三个计数器的架构，具体架构如下图所示：

1秒计数器cnt_1s：用于计算1s的时间，加一条件为1，表示一直在计数；数到50,000,000下，表示数到1s就结束。

位选计数器sel_cnt：用于区分选通的数码管，加一条件为end_cnt_1s，表示每间隔1秒的时间后，切换选通下一个数码管；数到8下，表示8个数码管都选通过一轮了。

1.1.5参考代码

module seg_disp(
rst_n ,
clk ,
seg_sel ,
segment
);
parameter TIME_1S = 50_000_000 ;
parameter SEG_WID = 8 ;
parameter SEG_NUM = 8 ;
parameter CNT_WID = 10 ;
parameter TIME_20US = 10'd1000 ;
parameter NUM_0 = 8'b1100_0000;
parameter NUM_1 = 8'b1111_1001;
parameter NUM_2 = 8'b1010_0100;
parameter NUM_3 = 8'b1011_0000;
parameter NUM_4 = 8'b1001_1001;
parameter NUM_5 = 8'b1001_0010;
parameter NUM_6 = 8'b1000_0010;
parameter NUM_7 = 8'b1111_1000;
parameter NUM_8 = 8'b1000_0000;
parameter NUM_9 = 8'b1001_0000;
parameter NUM_ERR = 8'b1111_1111;
input clk ;
input rst_n ;
output [SEG_WID - 1:0] seg_sel ;
output [SEG_WID - 1:0] segment ;
reg [SEG_WID - 1:0] seg_sel ;
reg [SEG_WID - 1:0] segment ;
reg [ 31 : 0] cnt_1s ;
reg [SEG_NUM - 1:0] sel_cnt ;
reg [ 4 - 1 : 0] seg_tmp ;
wire add_cnt_1s ;
wire end_cnt_1s ;
wire add_sel_cnt ;
wire end_sel_cnt ;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
cnt_1s <= 0;
end
else if(add_cnt_1s) begin
if(end_cnt_1s)
cnt_1s <= 0;
else
cnt_1s <= cnt_1s+1 ;
end
end
assign add_cnt_1s = 1;
assign end_cnt_1s = add_cnt_1s && cnt_1s == TIME_1S-1 ;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
sel_cnt <= 0;
end
else if(add_sel_cnt)begin
if(end_sel_cnt)
sel_cnt <= 0;
else
sel_cnt <= sel_cnt + 1;
end
end
assign add_sel_cnt = end_cnt_1s;
assign end_sel_cnt = add_sel_cnt && sel_cnt == SEG_NUM-1;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
seg_sel <= {SEG_NUM{1'b1}};
end
else begin
seg_sel <= ~(1'b1 << sel_cnt);
end
end
always @(*)begin
if(rst_n==1'b0)
seg_tmp = {SEG_NUM{1'b1}};
else
seg_tmp = sel_cnt ;
end
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
segment<=NUM_0;
end
else begin
case (seg_tmp)
0 : segment <= NUM_0;
1 : segment <= NUM_1;
2 : segment <= NUM_2;
3 : segment <= NUM_3;
4 : segment <= NUM_4;
5 : segment <= NUM_5;
6 : segment <= NUM_6;
7 : segment <= NUM_7;
8 : segment <= NUM_8;
9 : segment <= NUM_9;
default : segment <= NUM_ERR;
endcase
end
end
endmodule

复制代码

1.2 效果和总结

Ø 下图是该工程在db603开发板上的现象

Ø 下图是该工程在mp801开发板上的现象

Ø 下图是该工程在ms980试验箱上的现象

由于该项目的上板现象是上电数码管从左到右流动显示对应的数值，想观看完整现象的朋友可以看一下现象演示的视频。

感兴趣的朋友也可以访问明德扬论坛（http://www.FPGAbbs.cn/）进行FPGA相关工程设计学习，也可以看一下我们往期的文章：

1.3 公司简介

明德扬是一家专注于FPGA领域的专业性公司，公司主要业务包括开发板、教育培训、项目承接、人才服务等多个方向。点拨开发板——学习FPGA的入门之选。
MP801开发板——千兆网、ADDA、大容量SDRAM等，学习和项目需求一步到位。网络培训班——不管时间和空间，明德扬随时在你身边，助你快速学习FPGA。周末培训班——明天的你会感激现在的努力进取，升职加薪明德扬来助你。就业培训班——七大企业级项目实训，获得丰富的项目经验，高薪就业。专题课程——高手修炼课：提升设计能力；实用调试技巧课：提升定位和解决问题能力；FIFO架构设计课：助你快速成为架构设计师；时序约束、数字信号处理、PCIE、综合项目实践课等你来选。项目承接——承接企业FPGA研发项目。人才服务——提供人才推荐、人才代培、人才派遣等服务。

【设计教程下载】

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