小梅哥和你一起深入学习FPGA之数码管动态扫描（上）

　　在电子系统中，通常都需要有输出设备来输出或显示一定的信息，以指示当前系统运行的状态。在以单片机和ARM为主的电子系统中，液晶屏是理想的输出设备。而FPGA则因为其独特的硬件结构，如果用RTL级电路来驱动彩色液晶屏来显示一定的数据，势必是非常不划算的选择，而且驱动也极为复杂。数码管作为一种能够直观显示一定数据信息的输出设备，具有驱动简单，显示直观的特点，尤其适合作为FPGA系统的输出设备。本节，小梅哥就将和大家一起进行数码管驱动的开发。
　　实验目的
　　实现6位7段数码管的驱动，待显示数据以BCD格式输入。数码管刷新时钟为1KHz。实验使用了4个独立按键作为输入，通过按键来改变需要数码管显示的数据，以验证数码管驱动的正确性，同时也可检验独立按键消抖模块的可靠性。
　　实验原理
　　数码管所谓的动态扫描，就是利用人眼的视觉暂留特性，在人眼能分辨的变化速度以外，快速分时的点亮各个数码管对应的段。因为分别点亮所有数码管一次所用时间小于人眼的视觉暂留，因此，在人们眼里看来，这些数码管都是同时持续点亮的，并不会有闪烁的感觉。
　　


　　图2-1 数码管实物图
　　关于数码管的具体原理，请大家网上查阅，小梅哥一个人精力有限，没办法在这里从最低层的原理给大家一步一步讲起，如果大家有不明白的，请自行百度。这里小梅哥就用最简单粗暴的方式给大家简单介绍一下。
　　


　　图2-2 数码管简单等效电路
　　上图为3位7段数码管的等效电路图，在这个图中，可以明显的看到24个发光二极管被分为了三组，每一组的8个发光二极管正极被接在了一起，通过一个三极管与VCC相连。三极管的基极连接到了FPGA的IO上，因此，只需要FPGA对应的IO上给出低电平，三极管便会导通。而三组LED中所有的相同编号的LED的负极被连接在了一起，并接到了FPGA的IO上。如果我们希望将最左边一组的led0、led5、led7三个编号的led灯点亮，其它led不亮，则只需要给Q0的基极(sel0)连接上低电平，并将led0、led5、led7的负极(a、f、h)连接上低电平，其它所有端口都输出高电平，则最左边一组的对应的三个led灯就会被点亮，而其它led则会处于熄灭状态。
　　假如我们需要在三秒时间内，完成以下三次操作：第一次操作，点亮最左边一组led灯的led0、led5、led7;第二次操作，点亮中间一组led灯的led1、led2、led3;第三次操作，点亮最右边一组led灯的led2、led4、led6;那么我们只需要按照如下表格中列出的真值表操作即可：
　　第一秒第二秒第三秒
　　sel0011
　　sel1101
　　sel2110
　　a011
　　b101
　　c100
　　d101
　　e110
　　f011
　　g110
　　h011
　　按照以上表格，我们就能知道该如何操作了，只需要在不同的时间给各个IO不同的电平，便能实现我们想要的亮灭组合。以上我们是以1秒为单位进行led组的切换的，假如我们将切换速度加快，变为1毫秒一切换，会是什么情况呢?在1毫秒一切换的速度下，完成所有操作所需时间为3ms，远远超出了我们人眼所能辨识的变化速度范围。如果我们让以上三个操作永远循环的进行下去，那么我们将看见三组led灯中，我们点亮的那几个led是同时且一直处于亮着的状态的，这便是动态扫描的原理，假如我们把每个led做成一个长条型的，并按照如下形状摆放，便就是我们常见的数码管了。
　　


　　图2-3 数码管段分布
　　硬件设计
　　图2-2只是一个为了讲述数码管原理简化了的电路模型，常见的数码管电路结构如下图所示：
　　


　　图3-1 数码管典型电路
　　在这个图中，共有6位数码管，每个数码管的正极被接在一个驱动三极管上，三极管的基极连接到三八译码器的Y端，则FPGA只需要三个引脚就可最多控制8个数码管的位选。数码管的段选在串接了470欧姆的电阻后与FPGA的IO相连。这里470欧姆的电阻主要起到限流的作用，保证流过数码管的电流在正常范围内。
　　架构设计
　　本实验由总共四个模块组成，分别为数码管驱动模块、独立按键检测模块、控制模块和顶层模块，其架构如下：
　　


　　图4-1 led实验模块组织结构图
　　由图可知本实验有1个输出端口，对应驱动了38译码器的三个选择端和数码管的8个段选脚。6个输入端口，对应了4个独立按键输入和一个时钟输入以及一个复位输入。详细端口名及其意义如下

　　代码组织方式
　　本实验中，数码管的驱动采用了组合逻辑译码的方式进行，具体将在代码解读时讲解。
　　实验中还设计了一个控制器，该控制器主要通过读取按键信息来改变待数码管待显示的数据内容。
　　按键检测部分使用前一节开发的独立按键的驱动，因此这里不进行过多的分析介绍。