FPGA 15 基础基于HC595的动态数码管实现(工程开发)

￡神魔★判官ぃ 2022-09-01 10:56 208阅读 0赞

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# FPGA 15 基础 基于HC595的动态数码管实现 #

数码管显示驱动魔块（包括内部实现） 如下所示：

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模块名称 ： HEX8

主要功能 ：本次设计了 8个数码管显示电路，输入数据端，disp\_data \[31:0\]共32位，每4位作为一个数码管的显示数据，这样的话一次输入了8个数码管的数据，数据输出端口，分别输出对应数码管的数据编码信号和对应数据的数码管片选信号。

设计流程：我们在这次实验中，为了减少FPGA 端口的占用，因此，我们使用了数据移位的方式来进行显示. 所以，在模块的内部，我们设计了 1Khz 的时钟分频模块来进行单个数据的显示，每来一个时钟周期，对数据端口进行选择，然后再输出： 端口移位寄存器输出解码的数码管信号和对应数码管的片选信号。

此外：为了再次减少IO 占用 ，我们将seg\[7:0\]和 sel\[7:0\]的信号转换成串行数据发送到外部端口（3个端口）。外部使用了HC595对数据进行串并转换，结构如下：

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数码管模块代码如下所示：

// 8个数码管驱动模块
    module HEX8(
    	
    	Clk ,
    	Rst_n ,
    	
    	En ,
    	disp_data ,
    	
    	sel ,
    	seg ,
    );
    
    	input Clk ;		//50M
    	input Rst_n ;
    	input En ;     //数码管显示使能信号
    	
    	input [31:0]disp_data ;	//8个数码管数据
    	
    	output [7:0]sel ;			//数码管位选 8个数码管
    	output reg [6:0]seg ;	//数码管段选（当前选中的数据）
    	
    	// 内部寄存器(变量)定义
    	/*  分频器1KHz模块  */
    	reg [14:0]divder_cnt ;
    	/*  【8位循环】移位寄存器模块  */
    	reg [7:0]sel_r ;	
    	/*  8选1数据选择模块  */	
    	reg [3:0]data_temp ; //数码管待显示的数据
    	
    	// 分频器1KHz模块
    	//分频器模块 周期是1S = 50_000_000(f）* 1(cnt) 20ns（Clk）
    	//我们要分的周期   1S = 1000（f）*50_000(cnt) *  20ns(C'l'k)  ==》cnt/2  = 25000 执行一次翻转
    	reg clk_1K ;
    	
    	//分频计数器
    	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
    	if(!Rst_n)
    		divder_cnt <= 15'd0 ;
    	else if(!En)
    		divder_cnt <= 15'd0 ;
    	else if(	divder_cnt == 24999)begin
    		divder_cnt <= 15'd0 ;
    		end
    	else 
    		divder_cnt <= divder_cnt + 1'b1 ;		
    	
    	//获取 clk_1K时钟
    	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
    	if(!Rst_n)
    		clk_1K <= 1'b0 ;
    	else if(divder_cnt == 24999)
    		clk_1K <= ~ clk_1K ;
    	else 
    		clk_1K <= clk_1K ;
    		
    		
    	//【8位循环】移位寄存器模块设计
    	//注意: 这里使用的是 clk_1K 作为时钟信号
    	//这个在大型系统是不被允许的
    	
    	// 8位循环移位寄存器,控制数码管选中信号
    	always@(posedge clk_1K or negedge Rst_n)
    	if(!Rst_n)
    		sel_r <= 8'b0000_00001 ; 
    	else if(sel_r == 8'b1000_0000)
    		sel_r <= 8'b0000_00001 ;
    	else
    		sel_r <= sel_r << 1'b1 ;
    	
    	
    	// 8选1数据选择模块(mux8)
    	// 组合逻辑	always@(*) 使用* 表示什么信号都可以触发该信号的变化
        // sel  和 数码管数据显示控制引脚
    	always@(*)
    		case(sel_r)
    			8'b0000_0001:  data_temp = disp_data[3:0]  ;
    			8'b0000_0010:  data_temp = disp_data[17:4] ;
    			8'b0000_0100:  data_temp = disp_data[11:8] ;
    			8'b0000_1000:  data_temp = disp_data[15:12];
    
    			8'b0001_0000:  data_temp = disp_data[19:16];
    			8'b0010_0000:  data_temp = disp_data[23:20];
    			8'b0100_0000:  data_temp = disp_data[27:24];
    			8'b1000_0000:  data_temp = disp_data[31:28];
    			default : data_temp = 4'b0000 ;
    		endcase
    	
    	//数据查找表模块设计
       // 组合逻辑	always@(*) 使用* 表示什么信号都可以触发该信号的变化
    	// 在always 块中， seg要定义为 reg 类型的，而 output 默认定义为 wire 类型的
    	
    	//数码编解码模块
    	always@(*)
    		case(data_temp)
    			4'h0:seg = 7'b1000000;  //对应真实物理环境中显示
    			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;
    			// 这里可以不要default,上面把所有的情况都写出来了
    		endcase		
    	
    		// 2选1 数码管显示使能控制器
    		assign sel = (En)? sel_r : 8'b0000_0000 ;
        
    endmodule

FPGA 设计电路

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-UPxryyAx-1627401356077)(E:/Blog\_Template/source/\_posts/img/blog\_img/fpga/image-20210307195843543.png)\]][img-UPxryyAx-1627401356077_E_Blog_Template_source_posts_img_blog_img_fpga_image-20210307195843543.png]

为了节约FPGA 的IO 口资源，我们将seg\[7:0\]和 sel\[7:0\]的信号装换成串行数据到外部端口。

这个是串转并的内部原理图，我们通过串联多个D 触发器来将串行信号转换成并行信号

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-xBNOSLyU-1627401356078)(E:/Blog\_Template/source/\_posts/img/blog\_img/fpga/image-20210307200519607.png)\]][img-xBNOSLyU-1627401356078_E_Blog_Template_source_posts_img_blog_img_fpga_image-20210307200519607.png]

在本次实际电路中：由于seg（数据） 和sel（数码管片选） 一共由 7（实际也是8个，有一个是右下角的 小数点）7+8 =15个并行的信号。

所以我们使用了 2 个 HC595 模块将信号串转并行信号输出进行控制。

外部电路如下所示：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xqMTk4NjgxNzkwMg_size_16_color_FFFFFF_t_70]

可以看到，我们由原来的 15根信号控制变成3根信号线来控制。

图中： DS表示的是串行数据 SCK\_12.5Mhx 表示的是 外部芯片的时钟 LATCH 表示的串并转换的使能信号。

HC595驱动代码如下所示：

module Hc595_Driver(
    	Clk ,
    	Rst_n ,
    	Data ,
    	S_EN ,
    	
    	SH_CP ,
    	ST_CP ,
    	DS
    );
    
    	input Clk ;
    	input Rst_n ;
    	input [15:0]Data ;
    	input S_EN ;
    	
    	output reg SH_CP ; // cLK
    	output reg ST_CP ; // 串并转换使能信号
    	output reg DS ;
    	
    	parameter CNT_MAX =2 ; // 时钟分频
    	
    	//
    	reg [15:0]r_data ;
    	always@(posedge Clk)
    	if(S_EN)
    		r_data <= Data ;
    	
    	
    	reg [7:0]divder_cnt ;  //分频计数器
    	
    	//同步时钟2分频计数器 -->25mHZ
    	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
    	if(Rst_n == 1'b0)
    		divder_cnt <=0 ;
    	else if(divder_cnt == CNT_MAX - 1'b1)
    		divder_cnt <=0 ;
    	else
    		divder_cnt <= divder_cnt + 1'b1 ;
    		
    	wire sck_plus ;
        // 注：sck_plus 这是一个脉冲信号，虽然这里是周期信号，实际上，如果把 CNT_MAX 调大以后，就是个时钟脉冲信号
    	assign sck_plus = (divder_cnt == 1)? 1'b1 : 1'b0 ;
    	
    	/*
    	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
    	if(Rst_n == 1'b0)
    		SHCP <=0 ;
    	else if(sck_plus == 1'b1)
    		SHCP <= ~SHCP ;
    	*/
    	
    	reg [5:0]SHCP_EDGE_CNT ; //至少6位
    	//边缘计数器
    	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
    	if(Rst_n == 1'b0)
    		SHCP_EDGE_CNT <= 0 ;
    	else if(sck_plus == 1'b1) begin
    		if(SHCP_EDGE_CNT == 32)  //25Mhz 的时钟
    			SHCP_EDGE_CNT <= 0 ;
    		else
    			SHCP_EDGE_CNT <= SHCP_EDGE_CNT + 1'b1 ;
    	end
    	else
    		SHCP_EDGE_CNT <= SHCP_EDGE_CNT ;
    		
    	always@(posedge Clk or negedge  Rst_n)
    	if(!Rst_n) begin
    		ST_CP <= 1'b0 ;
    		DS <=1'b0 ;
    		SH_CP <= 1'd0;
    	end
    	else begin
    		case(SHCP_EDGE_CNT)
    			0 :  begin SH_CP <=0 ; ST_CP <= 1'd0 ;DS <= r_data[15] ; end //信号准备阶段
    			 // SHCP_EDGE_CNT 为 25Mhz   // SH_CP 将得到的信号 2个clk为1次 =》 25Mhz/2 =12.5Mhz
    			 // SH_CP 最开始为0 ， 即数据还没开始通过D触发器， DS <= r_data[15]最高位的时候将数据先复制过去
    			 // 下一阶段 CH_CP  = 1 时刻，数据将会通过D 触发器存取
    			1 :  begin SH_CP <=1 ;  end  // SH_CP <=1 D触发器开始存取最高位的数据
    			2 :  begin SH_CP <=0 ;  DS <= r_data[14] ; end			
    			3 :  begin SH_CP <=1 ;  end
    			4 :  begin SH_CP <=0 ;  DS <= r_data[13] ; end			
    			5 :  begin SH_CP <=1 ;  end
    			6 :  begin SH_CP <=0 ;  DS <= r_data[12] ; end
    			7 :  begin SH_CP <=1 ;  end
    			8 :  begin SH_CP <=0 ;  DS <= r_data[11] ; end
    			9 :  begin SH_CP <=1 ;  end
    			
    			10 :  begin SH_CP <=0 ;  DS <= r_data[10]; 	end
    			11 :  begin SH_CP <=1 ;  end
    			12 :  begin SH_CP <=0 ;  DS <= r_data[9] ; 	end
    			13 :  begin SH_CP <=1 ;  end
    			14 :  begin SH_CP <=0 ;  DS <= r_data[8] ; 	end
    			15 :  begin SH_CP <=1 ;  end
    			16 :  begin SH_CP <=0 ;  DS <= r_data[7] ;	end
    			17 :  begin SH_CP <=1 ;  end
    			18 :  begin SH_CP <=0 ;  DS <= r_data[6] ; 	end
    			19 :  begin SH_CP <=1 ;  end
    			20 :  begin SH_CP <=0 ;  DS <= r_data[5] ; 	end
    			
    			21 :  begin SH_CP <=1 ;  end
    			22 :  begin SH_CP <=0 ;  DS <= r_data[4] ; 	end
    			23 :  begin SH_CP <=1 ;  end
    			24 :  begin SH_CP <=0 ;  DS <= r_data[3] ; 	end
    			25 :  begin SH_CP <=1 ;  end
    			26 :  begin SH_CP <=0 ;  DS <= r_data[2] ; 	end
    			27 :  begin SH_CP <=1 ;  end
    			28 :  begin SH_CP <=0 ;  DS <= r_data[1] ; 	end
    			29 :  begin SH_CP <=1 ;  end
    			30 :  begin SH_CP <=0 ;  DS <= r_data[0] ; 	end		
    			31 :  begin SH_CP <=1 ;  end
    			32 :  ST_CP <= 1'd1  ; //串并信号转换
    			default : 
    			begin
    				ST_CP <= 1'b0 ;
    				DS <=1'b0 ;
    				SH_CP <= 1'd0;
    			end
    			endcase
    		end
    endmodule

数码管实验要注意的重要知识点：

1、 串并转换的概念，本次首先是将8段数码管的信号在fpga内部处理，通过IP核的方式进行生成一个模块进行数据的调试

2、8个数码管的片选sel 和数码管数据显示seg 的区分，sel控制哪个数码管亮，seg控制数码管显示

3、seg数码管显示之前有一个编码，这个是根据数码管的特性进行编码和解码得到的。也就是说，原来输入的是原始数据，我们要显示在数码管上，进行编码得到我们实际在真实物理世界上的显示效果。

4、HC595 的驱动，我们使用了2个HC595 芯片来驱动8个LED 数码管，而不是通过FPGA直接驱动，目的是为了给FPGA节省一定的IO口资源，用两个HC595 是为了让 sel 和seg串行输出数据，让后通过HC595 得到并行数据来控制sel 和seg信号。

5、分频 12.5MHz概念，获取同步分频，信号让50Mhz 得到 25Mhz，让25Mhz的时钟脉冲信号（因为这里是2分频，所以得到的是2分频的时钟周期信号）来生成. 12.5Mhz的信号，不是直接通过50Mhz 的always语句得到的，主要是为了时钟同步。通过HC595编写驱动，可以多看几次，加深印象。

6、该实验有两个模块 ，1、数据数码管显示和控制模块 2、HD595驱动模块（也可以理解为内部信号转换成HD595芯片可驱动的逻辑信号）

[img-t93Mpr2Y-1627401356069_FPGA 09 _.assets_test.png]: /images/20220829/bea0d03a1f4348d8916893d31b311fd3.png
[img-6USxSdzh-1627401356071_E_Blog_Template_source_posts_img_blog_img_fpga_image-20210307194048570.png]: /images/20220829/5059c2e1a6e249e3940115c644bfdd93.png
[img-XoQQf449-1627401356072_E_Blog_Template_source_posts_img_blog_img_fpga_image-20210307195635682.png]: /images/20220829/86c7f7b535d74b549396efcf312bdcab.png
[img-UPxryyAx-1627401356077_E_Blog_Template_source_posts_img_blog_img_fpga_image-20210307195843543.png]: /images/20220829/9dbbff2b40844916beaffb23c341c1f7.png
[img-xBNOSLyU-1627401356078_E_Blog_Template_source_posts_img_blog_img_fpga_image-20210307200519607.png]: /images/20220829/6adff010cb314e65b62130c62a35ada7.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xqMTk4NjgxNzkwMg_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220829/d5283ef8fd1840b68e4e1af0cd729d11.png