数码管的基本原理

　　　　关于数码管，一个单个的数码管可以看做是多个led灯的集合，如下图所示

其中的8和。都是LED组成的，通过引脚上电即可点亮不同的LED然后组成不同的数字，这个过程在数码管的设计中叫做段选。

　　　　在多个数码管的情况下，需要选择哪个数码管点亮，这个在数码管设计中称作位选，多个数码管可以通过位选和段选完成电子时钟设计等功能。

下面通过项目对于多个数码管进行点亮，让其在开发板上显示不同的数据。

预计实验现象：

　　　　　　在quartus的in system source and probes editor 工具，输入需要显示在数码管上的数据，则数码管显示对应数据。

相关知识点：

　　　　数码管动态扫描的实现、in system source and probes editor调试工具的使用。

设计过程：

　　　　1、数码管动态扫描实现。

　　　　2、In system sources and probes edit (ISSP)调试工具的使用

　　　　3、4输入查找表，6位输出。

　　　　4、分频模块，从系统时钟分频得到1KHz的扫描时钟

　　　　5、6选一多路选择器，选择为当前数码管的位置。

驱动模块逻辑电路图：

下面就是照着逻辑电路图来编写程序了。

创建工程，添加文件

module segment(disp_data,rst_n,clk,en ,sel,seg);

input clk;//50M
input rst_n;
input en;
input [23:0]disp_data;
output [5:0]sel;//位选（控制哪个数码管亮）
output reg [6:0]seg;//段选（控制数码管显示什么数据）


//分频器的代码，这里为了完整，不做多个文件来写模块了
reg[14:0] diviter_cnt; //25000-1
reg clk_1k;
reg [5:0]sel_r;
reg [3:0]data_temp;//待显示数据缓存

//生成一个分频计数器计数
always@(posedge clk or negedge rst_n)
if (!rst_n)
diviter_cnt<=15‘d0;
else if (!en)
diviter_cnt<=15‘d0;
else if (diviter_cnt==24999)
diviter_cnt<=15‘d0;
else
diviter_cnt<=diviter_cnt+1‘b1;

//1k扫描时钟生成
always@(posedge clk or negedge rst_n)
if (!rst_n)
clk_1k<=1‘b0;
else if (diviter_cnt==24999)
clk_1k<=~clk_1k; //大型设计中，这种产生分频器的方法是不可以的


//位选移位寄存器
always@(posedge clk_1k or negedge rst_n)
if (!rst_n)
sel_r<=6‘b000_001;
else if(sel_r==6‘b100_000)
sel_r<=6‘b000_001;
else
sel_r<=sel_r<<1;

//设计一个6选一多路器
always@(*)
case(sel_r)
6‘b000_001:data_temp=disp_data[3:0];
6‘b000_010:data_temp = disp_data[7:4];
6‘b000_100:data_temp=disp_data[11:8];
6‘b001_000:data_temp=disp_data[15:12];
6‘b010_000:data_temp=disp_data[19:16];
6‘b100_000:data_temp=disp_data[23:20];
default
data_temp<=4‘b0000;
endcase

//译码器
always@(*)
case (data_temp)
4‘h0:seg=7‘b1000000;//这里按数码管码表来
4‘h1:seg=7‘b1111001;
4‘h2:seg=7‘b0100100;
4‘h3:seg=7‘b0110000;
4‘h4:seg=7‘b0011001;
4‘h5:seg=7‘b0010010;
4‘h6:seg=7‘b0000010;
4‘h7:seg=7‘b1111000;
4‘h8:seg=7‘b0000000;
4‘h9:seg=7‘b0010000;
4‘ha:seg=7‘b0001000;
4‘hb:seg=7‘b0000011;
4‘hc:seg=7‘b1000110;
4‘hd:seg=7‘b0100001;
4‘he:seg=7‘b0000110;
4‘hf:seg=7‘b0001110;
endcase

//二选一多路器
assign sel=(en)?sel_r:6‘b000_000;

endmodule

编写testbench文件来进行仿真

`timescale 1ns/1ns

`define clk_period 20

module HXE_tb;

reg Clk; //50M
reg Rst_n;
reg En; //数码管显示使能，1使能，0关闭

reg [31:0]disp_data;

wire [7:0] sel;//数码管位选（选择当前要显示的数码管）
wire [6:0] seg;//数码管段选（当前要显示的内容）

HXE8 HXE8(
.Clk(Clk),
.Rst_n(Rst_n),
.En(En),
.disp_data(disp_data),
.sel(sel),
.seg(seg)
);

initial Clk = 1;
always#(`clk_period/2) Clk = ~Clk;

initial begin
Rst_n = 1‘b0;
En = 1;
disp_data = http://www.mamicode.com/32‘h12345678;
#(`clk_period*20);
Rst_n = 1;
#(`clk_period*20);
#20000000;
disp_data = http://www.mamicode.com/32‘h87654321;
#20000000;
disp_data = http://www.mamicode.com/32‘h89abcdef;
#20000000;
$stop;
end

endmodule

点击仿真运行，可以看到sel和seg的输出与我们期望的是一样的，即位选进行移位操作，段选显示123456和abcdef。

一般都需要进行后仿，才能得到实际的工作时的数据波形，这里由于使用的是Cyclone V系列的芯片，而quartus 取消了对该系列的门级仿真，故而此次设计的后仿就不做了。但是我们这里发现,友晶的开发板的连接模式与下面这种常规的位选段选接法不同，其连接方式为并行接法，每个数码管连接一个IO管脚，通过IO管脚的设置来决定数据的显示，这里两者的区别是位选的有无

重新编写segment程序

module segment_2(disp_data,rst_n,clk,en ,data_out);
input clk;//50M
input rst_n;
input en;
input [23:0]disp_data;

output reg [41:0]data_out;
reg[24:0]cnt;//定义计数寄存器
reg [3:0]data_temp;//待显示数据缓存
reg [6:0]seg;//段选（控制数码管显示什么数据）
reg num;
always@(posedge clk or negedge rst_n)
//设置500ms的延时
if(rst_n==1‘b0)
cnt<=25‘d0;
else if (cnt==25‘d24_999_999)//(500_000_000/20) -1的结果。
cnt<=25‘d0;
else
cnt<=cnt+1‘b1;

always@(posedge clk or negedge rst_n)
if (rst_n==1‘b0)
data_temp=4‘b0001;
else if (cnt==25‘d24_999_999)
case (num)
1‘h0: begin data_temp<=disp_data[3:0];num<=num+1; end
1‘h1:begin data_temp<=disp_data[7:4] ; num<=num+1;end
1‘h2:begin data_temp<=disp_data[11:8] ;num<=num+1;end
1‘h3:begin data_temp<=disp_data[15:12] ; num<=num+1;end
1‘h4:begin data_temp<=disp_data[19:16] ; num<=num+1;end
1‘h5:begin data_temp<=disp_data[23:20] ; num<=num+1;end
default
num<=0;
endcase
always@(*)
begin
case (data_temp)
4‘h0:seg=7‘b1000000;//这里按数码管码表来
4‘h1:seg=7‘b1111001;
4‘h2:seg=7‘b0100100;
4‘h3:seg=7‘b0110000;
4‘h4:seg=7‘b0011001;
4‘h5:seg=7‘b0010010;
4‘h6:seg=7‘b0000010;
4‘h7:seg=7‘b1111000;
4‘h8:seg=7‘b0000000;
4‘h9:seg=7‘b0010000;
4‘ha:seg=7‘b0001000;
4‘hb:seg=7‘b0000011;
4‘hc:seg=7‘b1000110;
4‘hd:seg=7‘b0100001;
4‘he:seg=7‘b0000110;
4‘hf:seg=7‘b0001110;
endcase
data_out<=({seg,seg,seg,seg,seg,seg,seg});
end

endmodule

 编写testbench文件并设定路径

`timescale 1ns/1ns
`define clk_period 20
module segment_2_tb;

reg clk;//50M
reg rst_n;
reg en;
reg [23:0]disp_data;
wire [41:0]data_out;//段选（控制数码管显示什么数据）

segment_2 segment0(.disp_data(disp_data),
.rst_n(rst_n),
.clk(clk),
.en (en),
.data_out(data_out)
);

initial clk = 1;
always#(`clk_period/2) clk = ~clk;
initial begin
rst_n=1‘b0;
en=1;
disp_data=http://www.mamicode.com/24‘h123456;
#(`clk_period*20)
rst_n=1;
#(`clk_period*20)
#20_000_000;
disp_data<=24‘habcdef;
#20_000_000;
$stop;
end
endmodule

 仿真波形如图

 到了这一步就需要一个工具，即之前说到的In sysytem sources and probes editor (ISSP)

打开一个IP核

之后一直next知道finish，ctrl+o将产生的文件添加到工程中。将端口添加到顶层文件中

新建一个segment_top文件，将文件端口都链接进来

module segment_top(clk,rst_n,data_out);

input clk;//50M
input rst_n;
wire [23:0]disp_data;


output [41:0]data_out;

segment_data segment_data0(
.probe(),
.source(disp_data));

segment_2 segment0(.disp_data(disp_data),
.rst_n(rst_n),
.clk(clk),
.en (1‘b1),
.data_out(data_out));

endmodule

至此，工程修改完了，之后就是分配引脚

将.sof文件下载到开发板中

下载之后，开发板上的数码管一直显示00_00_00，这是因为没有给它需要显示的值。

现在在电脑上调用in system programer 工具

将数据格式改为16进制

在Data框中输入希望显示的数据，会发现数码管上的数据会随着输入的数据的变化而变化。

到这里，数码管的点亮的试验的基本目标就已经完成了，但是本次实验还有很多不足，比如让不同数码管显示不同数据，复位按钮按下后，显示不是从头开始跳变的，只是按下的时候会改变显示显示8而已，这点也是一个很大的不足，如果需要做一个电子时钟的话，程序还需要很多的修改，在下一篇文章中，我会将这些问题一一解决，并将程序及设计步骤发到博客上来。

数码管的动态扫描与驱动