verilog学习笔记- 15)动态数码管显示实验

简介：

实验任务：

硬件设计：

程序设计：

下载验证：

简介：

由于一般的静态驱动操作虽然方便，但占用的 I/0 口较多，例如要驱动6 位 8 段数码管，以静态驱动方式让数码管各个位显示不同的数值，如“123456”，需要占用6 × 8 = 48个I/O 口，虽然对于 FPGA 这种 I/O 口较多的芯片而言，在资源允许的情况下可以使用，但一般不建议浪费宝贵的 I/O 口资源，尤其在 I/O 口资源紧张的情况下，所以对于多位数码管一般采用动态驱动方式使数码管显示数字。

为了更好的理解数码管动态驱动，我们首先了解下市面上常见的多位数码管的内部连接。以两位数码管为例，其内部连接如下图。由此图可知，两位 8 段数码管共 10 个引脚，每位数码管的阳极连接在一起，为共阳极数码管，每位数码管相同段的 led 的阴极连接在一起，这样当给第 10 和第 5 脚高电平，给第 3 脚低电平时，两个数码管的发光二极管 A 都点亮，对于此种数码管以静态方式驱动显然不可能显示像“18”这种个位与十位不同的数字。

既然同时给第 10 和第 5 脚高电平不可行，那么是不是可以先给第 5 脚高电平，第 10 脚低电平，此时，让其显示数字“8”时，左边的数码管不显示，右边的数码管显示数字“8”；然后给第 10 脚高电平，第 5 脚低电平，此时，让其显示数字“1”时，左边的数码管显示数字“1”，右边的数码管不显示，这样就可以显示数字“18”了。但有一个问题，多长时间切换显示的数码管呢，时间如果太长就只能看到数字―8” 或数字“1”了，时间太短呢，结果是显示不清晰而且显示亮度不够。由于人眼的视觉暂留（人眼在观察景物时，光信号传人大脑神经，需经过一段短暂的时间，光的作用结束后，视觉形象并不立即消失，这种残留的视觉称“后像”，视觉的这一现象则被称为“视觉暂留”）及发光二极管的余辉效应（当停止向发光二极管供电时，发光二极管亮度仍能维持一段时间），每位数码管的点亮时间为 1～2ms 时，显示效果能满足使用需要。数码管的这种驱动方式称为数码管的动态驱动，实际上就是分时轮流控制不同数码管的显示。

实验任务：

本节实验任务是使用 FPGA 开发板上的 6 位数码管以动态方式从 0 开始计数，每 100ms 计数值增加一，当计数值从 0 增加到 999999 后重新从 0 开始计数。

硬件设计：

数码管接口部分的硬件设计原理及本实验中各端口信号的管脚分配与“数码管静态显示实验”完全相同

verilog学习笔记- 14)静态数码管显示实验_Vizio__的博客-CSDN博客

程序设计：

由实验任务和动态驱动的原理我们可以知道，若要让 6 个数码管轮流显示对应的数字，首先需要一个数码管动态显示模块，能够依次点亮 6 个数码管，并将对应的数据输出至数码管，也就是需要分别控制段选和位选信号；同时还需要一个计数模块，能够将 0—999999 依次输出至数码管动态显示模块。根据实验任务，我们可以大致规划出系统的控制流程：首先我们需要一个数码管动态显示模块在数码管上显示数据，其次需要一个计数控制模块实现从 0 到 999999 的变化，并将产生的数值通过数码管动态显示模块在数码管上显示出来。由此画出系统的功能框图如下所示：

FPGA 顶层（top_seg_led）例化了以下两个模块：计数模块（count）以及数码管动态显示模块（seg_led）。实现各模块之间数据的交互。计数模块将计数值通过 data 端口传递给数码管动态显示模块，使能信号 en 使能数码管显示数据，小数点显示信号 point 控制小数点的显示，符号信号 sign 可以让数码管显示负号。计数模块（count）：显示的数字每 100ms 加1。

数码管动态显示模块（seg_led）：数码管动态显示模块在数码管上以动态方式显示数值。

顶层模块的代码如下：

1 module top_seg_led(
2 //global clock
3 input sys_clk , // 全局时钟信号
4 input sys_rst_n, // 复位信号（低有效）
5 
6 //seg_led interface
7 output [5:0] seg_sel , // 数码管位选信号
8 output [7:0] seg_led // 数码管段选信号
9 );
10 
11 //wire define
12 wire [19:0] data; // 数码管显示的数值
13 wire [ 5:0] point; // 数码管小数点的位置
14 wire en; // 数码管显示使能信号
15 wire sign; // 数码管显示数据的符号位
16 
17 //*****************************************************
18 //** main code
19 //*****************************************************
20 
21 //计数器模块，产生数码管需要显示的数据
22 count u_count(
23 .clk (sys_clk ), // 时钟信号
24 .rst_n (sys_rst_n), // 复位信号
25 
26 .data (data ), // 6 位数码管要显示的数值
27 .point (point ), // 小数点具体显示的位置,高电平有效
28 .en (en ), // 数码管使能信号
29 .sign (sign ) // 符号位
30 );
31 
32 //数码管动态显示模块
33 seg_led u_seg_led(
34 .clk (sys_clk ), // 时钟信号
35 .rst_n (sys_rst_n), // 复位信号
36 
37 .data (data ), // 显示的数值
38 .point (point ), // 小数点具体显示的位置,高电平有效
39 .en (en ), // 数码管使能信号
40 .sign (sign ), // 符号位，高电平显示负号(-)
41 
42 .seg_sel (seg_sel ), // 位选
43 .seg_led (seg_led ) // 段选
44 );
45 
46 endmodule

顶层模块中主要完成对其余模块的例化，并且实现各模块之间信号的交互。计数模块输出的数data 连接至数码管显示模块的输入端口 data，数码管显示模块将输入的数据 data 输出至数码管上显示。

计数模块的代码如下所示：

1 module count(
2 //mudule clock
3 input clk , // 时钟信号
4 input rst_n, // 复位信号
5 
6 //user interface
7 output reg [19:0] data , // 6 个数码管要显示的数值
8 output reg [ 5:0] point, // 小数点的位置,高电平点亮对应数码管位上的小数点
9 output reg en , // 数码管使能信号
10 output reg sign // 符号位，高电平时显示负号，低电平不显示负号
11 );
12 
13 //parameter define
14 parameter MAX_NUM = 23'd5000_000; // 计数器计数的最大值
15 
16 //reg define
17 reg [22:0] cnt ; // 计数器，用于计时 100ms
18 reg flag; // 标志信号
19 
20 //*****************************************************
21 //** main code
22 //*****************************************************
23 
24 //计数器对系统时钟计数达 100ms 时，输出一个时钟周期的脉冲信号
25 always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
26 if (!rst_n) begin
27 cnt <= 23'b0;
28 flag<= 1'b0;
29 end
30 else if (cnt < MAX_NUM - 1'b1) begin
31 cnt <= cnt + 1'b1;
32 flag<= 1'b0;
33 end
34 else begin
35 cnt <= 23'b0;
36 flag <= 1'b1;
37 end
38 end
39 
40 //数码管需要显示的数据，从 0 累加到 999999
41 always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
42 if (!rst_n)begin
43 data <= 20'b0;
44 point <=6'b000000;
45 en <= 1'b0;
46 sign <= 1'b0;
47 end
48 else begin
49 point <= 6'b000000; //不显示小数点
50 en <= 1'b1; //打开数码管使能信号
51 sign <= 1'b0; //不显示负号
52 if (flag) begin //显示数值每隔 0.1s 累加一次
53 if(data < 20'd999999)
54 data <= data +1'b1; 
55 else
56 data <= 20'b0;
57 end
58 end
59 end
60 
61 endmodule

数码管动态显示模块的代码如下：

1 module seg_led(
2 input clk , // 时钟信号
3 input rst_n , // 复位信号
4 
5 input [19:0] data , // 6 位数码管要显示的数值
6 input [5:0] point , // 小数点具体显示的位置,从高到低,高电平有效
7 input en , // 数码管使能信号
8 input sign , // 符号位（高电平显示“-”号）
9 
10 output reg [5:0] seg_sel, // 数码管位选，最左侧数码管为最高位
11 output reg [7:0] seg_led // 数码管段选
12 );
13 
14 //parameter define
15 localparam CLK_DIVIDE = 4'd10 ; // 时钟分频系数
16 localparam MAX_NUM = 13'd5000 ; // 对数码管驱动时钟(5MHz)计数 1ms 所需的计数值
17 
18 //reg define
19 reg [ 3:0] clk_cnt ; // 时钟分频计数器
20 reg dri_clk ; // 数码管的驱动时钟,5MHz
21 reg [23:0] num ; // 24 位 bcd 码寄存器
22 reg [12:0] cnt0 ; // 数码管驱动时钟计数器
23 reg flag ; // 标志信号（标志着 cnt0 计数达 1ms）
24 reg [2:0] cnt_sel ; // 数码管位选计数器
25 reg [3:0] num_disp ; // 当前数码管显示的数据
26 reg dot_disp ; // 当前数码管显示的小数点
27 
28 //wire define
29 wire [3:0] data0 ; // 个位数
30 wire [3:0] data1 ; // 十位数
31 wire [3:0] data2 ; // 百位数
32 wire [3:0] data3 ; // 千位数
33 wire [3:0] data4 ; // 万位数
34 wire [3:0] data5 ; // 十万位数
35 
36 //*****************************************************
37 //** main code
38 //*****************************************************
39 
40 //提取显示数值所对应的十进制数的各个位
41 assign data0 = data % 4'd10; // 个位数
42 assign data1 = data / 4'd10 % 4'd10 ; // 十位数
43 assign data2 = data / 7'd100 % 4'd10 ; // 百位数
44 assign data3 = data / 10'd1000 % 4'd10 ; // 千位数
45 assign data4 = data / 14'd10000 % 4'd10; // 万位数
46 assign data5 = data / 17'd100000; // 十万位数
47 
48 //对系统时钟 10 分频，得到的频率为 5MHz 的数码管驱动时钟 dri_clk
49 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
50 if(!rst_n) begin
51 clk_cnt <= 4'd0;
52 dri_clk <= 1'b1;
53 end
54 else if(clk_cnt == CLK_DIVIDE/2 - 1'd1) begin
55 clk_cnt <= 4'd0;
56 dri_clk <= ~dri_clk;
57 end
58 else begin
59 clk_cnt <= clk_cnt + 1'b1;
60 dri_clk <= dri_clk;
61 end
62 end
63 
64 //将 20 位 2 进制数转换为 8421bcd 码(即使用 4 位二进制数表示 1 位十进制数）
65 always @ (posedge dri_clk or negedge rst_n) begin
66 if (!rst_n)
67 num <= 24'b0;
68 else begin
69 if (data5 || point[5]) begin //如果显示数据为 6 位十进制数，
70 num[23:20] <= data5; //则依次给 6 位数码管赋值
71 num[19:16] <= data4;
72 num[15:12] <= data3;
73 num[11:8] <= data2;
74 num[ 7:4] <= data1;
75 num[ 3:0] <= data0;
76 end
77 else begin 
78 if (data4 || point[4]) begin //如果显示数据为 5 位十进制数，则给低 5 位数码管赋
值
79 num[19:0] <= {data4,data3,data2,data1,data0};
80 if(sign) 
81 num[23:20] <= 4'd11; //如果需要显示负号，则最高位（第 6 位）为符号位
82 else
83 num[23:20] <= 4'd10; //不需要显示负号时，则第 6 位不显示任何字符
84 end
85 else begin //如果显示数据为 4 位十进制数，则给低 4 位数码管赋
值
86 if (data3 || point[3]) begin
87 num[15: 0] <= {data3,data2,data1,data0};
88 num[23:20] <= 4'd10; //第 6 位不显示任何字符
89 if(sign) //如果需要显示负号，则最高位（第 5 位）为符号位
90 num[19:16] <= 4'd11;
91 else //不需要显示负号时，则第 5 位不显示任何字符
92 num[19:16] <= 4'd10;
93 end
94 else begin //如果显示数据为 3 位十进制数，则给低 3 位数码管赋
值
95 if (data2 || point[2]) begin
96 num[11: 0] <= {data2,data1,data0};
97 //第 6、5 位不显示任何字符
98 num[23:16] <= {2{4'd10}};
99 if(sign) //如果需要显示负号，则最高位（第 4 位）为符号位
100 num[15:12] <= 4'd11;
101 else //不需要显示负号时，则第 4 位不显示任何字符
102 num[15:12] <= 4'd10;
103 end
104 else begin //如果显示数据为 2 位十进制数，则给低 2 位数码管赋
值
105 if (data1 || point[1]) begin
106 num[ 7: 0] <= {data1,data0};
107 //第 6、5、4 位不显示任何字符
108 num[23:12] <= {3{4'd10}};
109 if(sign) //如果需要显示负号，则最高位（第 3 位）为符号位
110 num[11:8] <= 4'd11;
111 else //不需要显示负号时，则第 3 位不显示任何字符
112 num[11:8] <= 4'd10;
113 end
114 else begin //如果显示数据为 1 位十进制数，则给最低位数码管赋
值
115 num[3:0] <= data0;
116 //第 6、5 位不显示任何字符
117 num[23:8] <= {4{4'd10}};
118 if(sign) //如果需要显示负号，则最高位（第 2 位）为符号位
119 num[7:4] <= 4'd11;
120 else //不需要显示负号时，则第 2 位不显示任何字符
121 num[7:4] <= 4'd10;
122 end
123 end
124 end
125 end
126 end
127 end
128 end
129
130 //每当计数器对数码管驱动时钟计数时间达 1ms，输出一个时钟周期的脉冲信号
131 always @ (posedge dri_clk or negedge rst_n) begin
132 if (rst_n == 1'b0) begin
133 cnt0 <= 13'b0;
134 flag <= 1'b0;
135 end
136 else if (cnt0 < MAX_NUM - 1'b1) begin
137 cnt0 <= cnt0 + 1'b1;
138 flag <= 1'b0;
139 end
140 else begin
141 cnt0 <= 13'b0;
142 flag <= 1'b1;
143 end
144 end
145
146 //cnt_sel 从 0 计数到 5，用于选择当前处于显示状态的数码管
147 always @ (posedge dri_clk or negedge rst_n) begin
148 if (rst_n == 1'b0)
149 cnt_sel <= 3'b0;
150 else if(flag) begin
151 if(cnt_sel < 3'd5)
152 cnt_sel <= cnt_sel + 1'b1;
153 else
154 cnt_sel <= 3'b0;
155 end
156 else
157 cnt_sel <= cnt_sel;
158 end
159
160 //控制数码管位选信号，使 6 位数码管轮流显示
161 always @ (posedge dri_clk or negedge rst_n) begin
162 if(!rst_n) begin
163 seg_sel <= 6'b111111; //位选信号低电平有效
164 num_disp <= 4'b0; 
165 dot_disp <= 1'b1; //共阳极数码管，低电平导通
166 end
167 else begin
168 if(en) begin
169 case (cnt_sel)
170 3'd0 :begin
171 seg_sel <= 6'b111110; //显示数码管最低位
172 num_disp <= num[3:0] ; //显示的数据
173 dot_disp <= ~point[0]; //显示的小数点
174 end
175 3'd1 :begin
176 seg_sel <= 6'b111101; //显示数码管第 1 位
177 num_disp <= num[7:4] ;
178 dot_disp <= ~point[1];
179 end
180 3'd2 :begin
181 seg_sel <= 6'b111011; //显示数码管第 2 位
182 num_disp <= num[11:8];
183 dot_disp <= ~point[2];
184 end
185 3'd3 :begin
186 seg_sel <= 6'b110111; //显示数码管第 3 位
187 num_disp <= num[15:12];
188 dot_disp <= ~point[3];
189 end
190 3'd4 :begin
191 seg_sel <= 6'b101111; //显示数码管第 4 位
192 num_disp <= num[19:16];
193 dot_disp <= ~point[4];
194 end
195 3'd5 :begin
196 seg_sel <= 6'b011111; //显示数码管最高位
197 num_disp <= num[23:20];
198 dot_disp <= ~point[5];
199 end
200 default :begin
201 seg_sel <= 6'b111111;
202 num_disp <= 4'b0;
203 dot_disp <= 1'b1;
204 end
205 endcase
206 end
207 else begin
208 seg_sel <= 6'b111111; //使能信号为 0 时，所有数码管均不显示
209 num_disp <= 4'b0;
210 dot_disp <= 1'b1;
211 end
212 end
213 end
214
215 //控制数码管段选信号，显示字符
216 always @ (posedge dri_clk or negedge rst_n) begin
217 if (!rst_n)
218 seg_led <= 8'hc0;
219 else begin
220 case (num_disp)
221 4'd0 : seg_led <= {dot_disp,7'b1000000}; //显示数字 0
222 4'd1 : seg_led <= {dot_disp,7'b1111001}; //显示数字 1
223 4'd2 : seg_led <= {dot_disp,7'b0100100}; //显示数字 2
224 4'd3 : seg_led <= {dot_disp,7'b0110000}; //显示数字 3
225 4'd4 : seg_led <= {dot_disp,7'b0011001}; //显示数字 4
226 4'd5 : seg_led <= {dot_disp,7'b0010010}; //显示数字 5
227 4'd6 : seg_led <= {dot_disp,7'b0000010}; //显示数字 6
228 4'd7 : seg_led <= {dot_disp,7'b1111000}; //显示数字 7
229 4'd8 : seg_led <= {dot_disp,7'b0000000}; //显示数字 8
230 4'd9 : seg_led <= {dot_disp,7'b0010000}; //显示数字 9
231 4'd10: seg_led <= 8'b11111111; //不显示任何字符
232 4'd11: seg_led <= 8'b10111111; //显示负号(-)
233 default:
234 seg_led <= {dot_disp,7'b1000000};
235 endcase
236 end
237 end
238
239 endmodule

数码管动态显示模块不仅可以将数值显示在数码管上，而且可以控制小数点的显示以及显示负数。数码管驱动模块没有在高位填充“0”，除非该位显示小数点。结合第 131 行开始的 always 语句块可知，cnt 每 1ms 的时间变化一次；而从第 161 行的 case 语句块可知，cnt 控制数码管的位选和段选。下图为该模块运行时 SignalTapII 抓取到的波形图：