小梅哥和你一起深入学习FPGA之数码管动态扫描
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。
一、 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。
二、 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: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
一、 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。
一、 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
表4-1 独立按键检测实验端口说明
因为存在模块间的连接,因此有部分内部信号,下表为内部信号的名称和功能说明
表4-2 独立按键检测实验内部信号说明
一、 代码组织方式
本实验中,数码管的驱
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