基于FPGA的数码管静态显示

设计规划

设计一个8位数码管静态显示：采用共阳极（低电平点亮）8段数码管，控制八位数码管让其以00000000、11111111、22222222一直到FFFFFFFF循环显示。每个字符显示0.5s。

硬件资源

数码管

常见数码管分为七段或八段，八段是多一个小数点。也可分为共阴极或共阳极，观察下面的原理图，共阴极数码管对应端口为高电平时对应二极管点亮，共阳极则相反。

段式数码管工作方式有两种：静态显示和动态显示。静态显示是指将8个数码管的段选信号连接在一起，就可以显示相同的数字。每个数码管的段选必须接一个8位数据线来显示字形，显示字形可一直保持，直到送入新字形码为止。如果每个数码管都接8位段选数据线，那么8个数码管就需要64根数据线。（例如8个数码管都显示0，那么每个数码管都要接一个8位的段选数据线，且控制段选信号为1100_0000）这样占用的I/O接口太多。如下图所示，我们将8个数码管的段选信号连接在一起，由位选信号去控制，每一个数码管上都有一个位选信号。那么在同一时刻8个数码管显示的字符都一样了。（例如8个数码管都显示0，那么8位位选信号为1111_1111，这样才能控制8个共阳数码管都能点亮。段选信号是连接在一起的，当它为1100_0000时，8个数码管都显示0）

即使这样控制数码管仍然需要使用16个I/O口资源。如果想要节省I/O口，可以通过74HC595芯片（位移缓存器）来实现。

74HC595芯片

使用一个串行输入口就可以并行输出八个输入的串行数据。但是一片芯片只能并行输出8位数据，但是8个数码管需要16位数据线，因此需要级联两片74HC595芯片进行输出：将Q7S引脚接入下一片的DS引脚，这样我们最少使用3个I/O口就可以控制多片芯片了。

10号引脚是主复位，低电平有效将移位寄存器的数据清零，通常接到Vcc防止数据清零。SHCP为移位寄存器时钟输入，上升沿时将输入的串行数据（DS端输入）移入移位寄存器中。如果一次输入的数据超过8bit，后面的数据会通过Q7S端口传到下一级芯片的DS端口。74HC595内部有一个8位 存储寄存器 ，由STCP（存储寄存器时钟）控制，STCP上升沿时移位寄存器的数据会进入数据存储寄存器中，令第13引脚为低即可让存储寄存器中的数据进行输出。

总结一下使用步骤：

1. 首先把要传输的数据通过引脚DS输入到74HC595中。
2. 产生SHCP时钟，将DS上的数据串行移入移位寄存器。
3. 产生STCP时钟，将移位寄存器里的数据送入存储寄存器。
4. 将13引脚置为低电平，存储寄存器的数据会在Q0-Q7并行输出，同时并行输出的数据会被锁存起来。

AC620 开发板上的数码管采用串行移位寄存器芯片将串行数据转化为 16 位并行数据后进行驱动。Cyclone IV E 通过 3 根数据线，连接到两片级联的串行移位器芯片 74HC595 上，再由 74HC595 将每次 16 位串行的数据转化为 16 位并行的数据，分别用以驱动8 段 8 位数码管的段选和位选。（用户手册是7段，但是有小数点，这里统一称为8段）

我们采用的是低电平点亮的共阳极数码管。首先看位选信号，SEL[0]对应开发板最右侧的数码管，以此类推。位选信号为1111_1111才能点亮数码管。再看段选信号，以显示0为例，需要将abcdef点亮，按照左边高位右边低位的顺序，dp、g、f、e、d、c、b、a就对应1100_0000。0-F对应（0）1100_0000、（1）1111_1001、（2）1010_0100、（3）1011_0000、（4）1001_1001、（5）1001_0010、（6）1000_0010、（7）1111_1000、（8）1000_0000、（9）1001_0000、（A）1000_1000、（B）1000_0011、（C）1100_0110、（D）1010_0001、（E）1000_0110、（F）1000_1110。

编写代码

通过系统框图可以看出，分为3个模块：数码管驱动模块，芯片控制模块和数码管显示模块。数码管显示模块是 顶层模块 ，实质上完成两个子模块的实例化。上图里整个系统连接方式是Cyclone IV E连接74HC595芯片连接数码管。我们看数码管驱动和芯片控制这两个子模块，下图中数码管的引脚图需要段选信号和位选信号去驱动，74HC595芯片，除了几个常接高低电平的引脚外，它的输入引脚是接Cyclone IV E的，输出引脚是控制数码管的。顶层模块中只需要考虑芯片和Cyclone IV E之间的连线，因此顶层模块的输入是时钟和复位信号，输出是芯片的输入引脚：寄存器时钟，存储器时钟，数据输入。尤其要注意的是，因为我用的开发板没有使能引脚，他不能作为输出存在。我们再将顶层模块拆分为数码管驱动模块和芯片控制模块。数码管驱动模块考虑数码管和芯片之间的连线，因此它的输入是时钟和复位信号，输出是段选和位选信号。芯片控制模块考虑的是芯片和数码管以及Cyclone IV E的连线，因此它的输入是时钟、复位、段选和位选信号，使能信号，输出是芯片的输入引脚（寄存器时钟，存储器时钟，数据输入）。理清楚了这些，就很容易编写代码了。

1、数码管驱动模块seg_static

包括输入：时钟信号、复位信号，输出：段选信号和位选信号。这个模块最重要的是弄清楚怎么产生段选和位选信号。每隔0.5s，我们要实现00000000-FFFFFFFF的循环显示，那么位选信号我们之前探讨了必须为1111_1111才能使数码管正常工作，而段选信号我们也探讨了从0-F的段选信号，就可以画出波形图。根据波形图可以编写代码。

我们需要三个中间信号：计数器cnt_wait，标志信号add_flag，显示信号num。其中，cnt_wait从0计数到24999999即0.5s，每到计满时标志信号add_flag拉高，且显示信号跳转到下一个状态，显示信号需要从0-F循环。

module seg_static
(
input wire sys_clk , 
input wire sys_rst_n , 


output reg [7:0] sel , 
output reg [7:0] seg 


);


 //parameter define
 parameter CNT_WAIT_MAX = 25'd24_999_999; //计数器最大值（0.5s）
 //十六进制数显示编码
 parameter SEG_0 = 8'b1100_0000, SEG_1 = 8'b1111_1001,
 SEG_2 = 8'b1010_0100, SEG_3 = 8'b1011_0000,
 SEG_4 = 8'b1001_1001, SEG_5 = 8'b1001_0010,
 SEG_6 = 8'b1000_0010, SEG_7 = 8'b1111_1000,
 SEG_8 = 8'b1000_0000, SEG_9 = 8'b1001_0000,
 SEG_A = 8'b1000_1000, SEG_B = 8'b1000_0011,
 SEG_C = 8'b1100_0110, SEG_D = 8'b1010_0001,
 SEG_E = 8'b1000_0110, SEG_F = 8'b1000_1110;
 parameter IDLE = 8'b1111_1111; //不显示状态


 //reg define
 reg add_flag ; 
 reg [24:0] cnt_wait ; 
 reg [3:0] num ; 


 //cnt_wait：0.5秒计数
 always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
 if(sys_rst_n == 1'b0)
 cnt_wait <= 25'd0;
 else if(cnt_wait == CNT_WAIT_MAX)
 cnt_wait <= 25'd0;
 else
 cnt_wait <= cnt_wait + 1'b1;


 //add_flag:0.5s拉高一个标志信号
 always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
 if(sys_rst_n == 1'b0)
 add_flag <= 1'b0;
 else if(cnt_wait == CNT_WAIT_MAX - 1)
 add_flag <= 1'b1;
 else
 add_flag <= 1'b0;


 //num：从 4'h0 加到 4'hf 循环
 always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
 if(sys_rst_n == 1'b0)
 num <= 4'd0;
 else if(add_flag == 1'b1)
 num <= num + 1'b1;
 else
 num <= num;


 //sel：选中8个数码管
 always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
 if(sys_rst_n == 1'b0)
 sel <= 8'b00000000;
 else
 sel <= 8'b11111111;


 //给要显示的值编码
 always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
 if(sys_rst_n == 1'b0)
 seg <= IDLE;
 else case(num)
 4'd0: seg <= SEG_0;
 4'd1: seg <= SEG_1;
 4'd2: seg <= SEG_2;
 4'd3: seg <= SEG_3;
 4'd4: seg <= SEG_4;
 4'd5: seg <= SEG_5;
 4'd6: seg <= SEG_6;
 4'd7: seg <= SEG_7;
 4'd8: seg <= SEG_8;
 4'd9: seg <= SEG_9;
 4'd10: seg <= SEG_A;
 4'd11: seg <= SEG_B;
 4'd12: seg <= SEG_C;
 4'd13: seg <= SEG_D;
 4'd14: seg <= SEG_E;
 4'd15: seg <= SEG_F;
 default:seg <= IDLE ; //闲置状态，不显示
 endcase


 endmodule

计数器cnt_wait：0.5s计数器，计数值从0-24_999_999。复位有效时归0，计数到24_999_999计满时归0，其他情况+1。

标志信号add_flag：计满0.5s拉高一个脉冲，复位有效时归0，计数到24_999_999-1时拉高，其他情况归0。

显示信号num：每当标志信号拉高时从0-F循环，复位有效时归0，判断标志信号为高电平时+1（F是1111，+1为10000溢出，但只保留后四位0000，因此F的下一个状态还是0），其他情况保持原值。

位选信号sel：位选信号长期接高点平，数码管才能显示，因此复位有效时归0，其他情况都为高电平。

段选信号seg：段选信号与显示数值的对应关系之前已经讨论过了。除了0-F的16种显示情况外增加了一种不显示的闲置状态IDLE。复位有效时段选信号为IDLE，与num数值有关。使用CASE语句判断num值并将对应的参数赋值给段选信号seg，注意要有default语句。

2、芯片控制模块

包括输入：时钟信号、复位信号，段选信号，位选信号，输出使能，输出：芯片的四个输入引脚（寄存器时钟，存储器时钟，数据输入）。这个模块最重要的是弄清楚怎么通过控制Cyclone IV E和芯片连接的引脚，让芯片产生正确的输出，去驱动数码管正确的显示图形。

注意：对于我使用的开发板，没有oe对应引脚，它是作为输入信号存在的（可阅读https://blog.csdn.net/weixin_43614528/article/details/87878938?csdn_share_tail=%7B%22type%22%3A%22blog%22%2C%22rType%22%3A%22article%22%2C%22rId%22%3A%2287878938%22%2C%22source%22%3A%22unlogin%22%7D）74HC595驱动模块观察其代码。而对于征途开发板，使能引脚为L11。

shcp是寄存器时钟，上升沿时数据写入移位寄存器，它有频率限制，这里采用系统时钟的4分频，即12.5MHz。stcp是存储器时钟，串行输入16位之后拉高。 en是使能信号，需要一直维持高电平 (图中的使能信号oe刚好相反，这与开发板有关，因此要仔细阅读用户手册）。

module hc595_ctrl
(
input wire sys_clk , 
input wire sys_rst_n , 
input wire [7:0] sel , 
input wire [7:0] seg , 
input wire en ,


output reg stcp , 
output reg shcp , 
output reg ds  


 );


 //reg define
 reg [1:0] cnt_4 ; //分频计数器
 reg [3:0] cnt_bit ; //传输位数计数器


 //wire define
 wire [15:0] data ; //数码管信号寄存


 //将数码管信号寄存
 assign data={sel,seg[0],seg[1],seg[2],seg[3],seg[4],seg[5],seg[6],seg[7]};


 //分频计数器:0~3循环计数
 always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
 if(sys_rst_n == 1'b0)
 cnt_4 <= 2'd0;
 else if(cnt_4 == 2'd3)
 cnt_4 <= 2'd0;
 else
 cnt_4 <= cnt_4 + 1'b1;


 //cnt_bit:每输入一位数据加一
 always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
 if(sys_rst_n == 1'b0)
 cnt_bit <= 4'd0;
 else if(cnt_4 == 2'd3 && cnt_bit == 4'd15)
 cnt_bit <= 4'd0;
 else if(cnt_4 == 2'd3)
 cnt_bit <= cnt_bit + 1'b1;
 else
 cnt_bit <= cnt_bit;


 //stcp:14个信号传输完成之后产生一个上升沿
 always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
 if(sys_rst_n == 1'b0)
 stcp <= 1'b0;
 else if(cnt_bit == 4'd15 && cnt_4 == 2'd3)
 stcp <= 1'b1;
 else
 stcp <= 1'b0;


 //shcp:产生四分频移位时钟
 always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
 if(sys_rst_n == 1'b0)
 shcp <= 1'b0;
 else if(cnt_4 >= 4'd2)
 shcp <= 1'b1;
 else
 shcp <= 1'b0;


 //ds:将寄存器里存储的数码管信号输入即
 always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
 if(sys_rst_n == 1'b0)
 ds <= 1'b0;
 else if(cnt_4 == 2'd0)
 ds <= data[cnt_bit];
 else
 ds <= ds;


 endmodule

使能信号en：在这里没有给他赋值，而在顶层模块的实例化时接了高电平。

分频计数器cnt_4：4分频即0-3循环计数，复位有效时归0，计数到3计满时归0，其他情况+1。

传输位数计数器cnt_bit：每传输一个数据+1，0-15循环计数。由于分频之后四个时钟周期为一个新的时钟周期，一个新时钟周期传输一个数据。复位有效时归0，当cnt计数到3且cnt_bit计数到15计满时归0，cnt计数到3且cnt_bit没计满时+1，其他情况保持。

存储器时钟stcp：15个信号传输完成后拉高，复位有效时归0，当cnt计数到3且cnt_bit计数到15计满时拉高，其他情况保持低电平。

寄存器时钟shcp：第九节分频器中仅分频的分频器实现方法，4分频后的时钟脉冲周期是原来的4倍。复位有效时归0，计数大于等于2（2，3）时拉高，其他情况（0，1）拉低。

串行数据输出ds：对FPGA芯片来说是输出，对74HC595芯片来说是输入。复位有效时归0，当分频计数器计数值为0时开始传输数据，其他情况保持原值。传输的数据是FPGA芯片输出的16位数据，74HC595芯片会串行输出（一次输出1bit）。数据data是seg[0]...seg[7],sel拼接起来的，sel是从高位到低位的顺序，data[cnt_bit]是从低位到高位的输出，因此是从位选的低位到高位，再从段选的高位到低位依次输出。

3、顶层模块

module seg_595_static
(
input wire sys_clk ,
input wire sys_rst_n , 


output wire stcp , 
output wire shcp , 
output wire ds 


 );


 //wire define
 wire [7:0] sel;
 wire [7:0] seg;


 //---------- seg_static_inst ----------
 seg_static seg_static_inst
 (
 .sys_clk (sys_clk ), 
 .sys_rst_n (sys_rst_n ), 


 .sel (sel ), 
 .seg (seg ) 
 );


 //---------- hc595_ctrl_inst ----------
 hc595_ctrl hc595_ctrl_inst
 (
 .sys_clk (sys_clk ), 
 .sys_rst_n (sys_rst_n), 
 .sel (sel ), 
 .seg (seg ), 
 .en(1'b1),


 .stcp (stcp ), 
 .shcp (shcp ), 
 .ds (ds )
 );


 endmodule

顶层模块实质是两个实例化。

编写testbench

`timescale 1ns/1ns
module tb_seg_595_static();


//wire define
wire stcp ; //输出数据存储寄时钟
 wire shcp ; //移位寄存器的时钟输入
 wire ds ; //串行数据输入
 wire oe ; //输出使能信号


 //reg define
 reg sys_clk ;
 reg sys_rst_n ;
 
 //对sys_clk,sys_rst_n赋初始值
 initial
 begin
 sys_clk = 1'b1;
 sys_rst_n <= 1'b0;
 #100
 sys_rst_n <= 1'b1;
 end


 //clk:产生时钟
 always #10 sys_clk <= ~sys_clk;


 //重新定义参数值，缩短仿真时间
 defparam seg_595_static_inst.seg_static_inst.CNT_WAIT_MAX = 100;


 //-------------seg_595_static_inst-------------
 seg_595_static seg_595_static_inst(


 .sys_clk (sys_clk ), //系统时钟，频率50MHz
 .sys_rst_n (sys_rst_n ), //复位信号，低电平有效


 .stcp (stcp ), //输出数据存储寄时钟
 .shcp (shcp ), //移位寄存器的时钟输入
 .ds (ds ), //串行数据输入
 .oe (oe ) //输出使能信号
 );


 endmodule

初始化：对时钟信号和复位信号赋初值，延迟100ns后复位拉高。

产生时钟：延迟10ns后取反，周期为20ns，50MHz的时钟。

为了节省仿真时间，重新定义参数。当一个模块引用另外一个模块时，高层模块可以改变低层模块用parameter定义的参数值。低层模块的参数可以通过层次路径名重新定义。

实例化

对比波形

数码管静态驱动模块仿真波形图

这里看模块的波形，可以把原来的波形delete，再把想要的如图添加进去。后面要修改可以restart后break再重新run all。

可以看到数码显示的值（num）从0开始跳转到了1，再跳转到了2；同时段选信号（seg）的编码与显示的字符也相吻合

可以看到数码管显示的数值从4’hf跳转回0

74HC595控制模块仿真波形图

分配管脚