基於FPGA的數碼管驅動設計（靜態顯示）

1.項目介紹

　　學習LED數碼管的工作原理和編程方法，掌握LED數碼管的設計應用。

2.設計要求

　　利用LED數碼管，在數碼管上顯示0-F字樣。系統框圖如下圖所示。其中，data_in[3:0]為按鍵輸入，seg_n[7:0]為數碼管的段選端，sel_n[7:0]為數碼管的位選端。

3.實驗原理

（1）什么是數碼管

　　數碼管，也稱作輝光管，是一種可以顯示數字和其他信息的電子設備。它是由8個發光二極管構成，並按照一定的圖形及排列封轉在一起的顯示器件。因為發光二極管的電流是3mA-10mA，故需添加限流電阻。數碼管引腳如下圖所示

　　上圖兩個com引腳實際是連在一起的，其他引腳的公共端，稱為位選，位選的高低電平決定改數碼管能否點亮，其他管腳為段選信號，決定數碼管上哪個二極管發光。

（2）數碼管基本構造

　　數碼管連接方式不同分為共陰極數碼管和共陽極數碼管。共陰極就是7段的顯示字碼共用一個電源的負極，是高電平點亮，共陽極就是7段的顯示字碼共用一個電源的正極，是低電平點亮。只要控制其中各段LED的亮滅即可顯示相應的數字、字母或符號。

　　共陰和共陽極數碼管的內部電路，它們的發光原理是一樣的，只是它們的電源極性不同而已，共陰為所有的LED負極接在一起，共陽為為所有的LED正極接在一起。如下圖為1位數碼管的共陰極和共陽極原理圖：

（3）數碼管顯示原理

　　要是數碼管顯示數字，有兩個條件：1.是要在公共端加合適的電源(一般每顆LED還需串上合適的電阻，起限流作用)；2.要使（a,b,c,d,e,f,g,dp)端接低電平或“0”電平。這樣才能顯示的。

例如下圖的共陽極數碼管，須在公共端接上VCC，（a,b,c,d,e,f,g,dp)端接到控制器的引腳上；如果要使其中一個LED亮時，對應的控制器引腳輸出低電平，即可點亮LED等。

（4）數碼管驅動方式

根據LED數碼管的驅動方式的不同，可以分為靜態式和動態式兩類。

　　1）靜態驅動也稱直流驅動，靜態驅動是指每個數碼管的每一個段碼都由一個I/O端口進行驅動。靜態驅動的優點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用I/O端口多。如驅動5個數碼管靜態顯示則需要5×8＝40根I/O口來驅動，要知道一個89S51單片機可用的I/O口才32個呢。故實際應用時必須增加驅動器進行驅動，增加了硬體電路的復雜性。

　　2）動態驅動是將所有數碼管的8個顯示筆划"a,b,c,d,e,f,g,dp "的同名端連在一起，另外為每個數碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制。-當單片機輸出字形碼時，所有數碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數碼管會顯示出字形，取決於單片機對位元選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數碼管就不會亮。

　　通過分時輪流控制各個LED數碼管的COM端，就使各個數碼管輪流受控顯示，這就是動態驅動。在輪流顯示過程中，每位數碼管的點亮時間為1～2ms，由於人的視覺暫留現象及發光二極體的余輝效應，盡管實際上各位數碼管並非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩定的顯示資料，不會有閃爍感，動態顯示的效果和靜態顯示是一樣的，能夠節省大量的I/O口，而且功耗更低。

4. 設計實現

module tube_static_v1(
    input     wire        [3:0]        data_in,
    output     reg        [7:0]        seg_n,
    output     wire        [7:0]        sel_n
);
    
    parameter       NUM0 = 8'b1100_0000,
                    NUM1 = 8'b1111_1001,    
                    NUM2 = 8'b1010_0100,    
                    NUM3 = 8'b1011_0000,    
                    NUM4 = 8'b1001_1001,    
                    NUM5 = 8'b1001_0010,    
                    NUM6 = 8'b1000_0010,    
                    NUM7 = 8'b1111_1000,    
                    NUM8 = 8'b1000_0000,    
                    NUM9 = 8'b1001_0000,
                    NUMA = 8'b1000_1000,
                    NUMB = 8'b1000_0011,
                    NUMC = 8'b1100_0110,
                    NUMD = 8'b1010_0001,
                    NUME = 8'b1000_0110,
                    NUMF = 8'b1000_1110;
    
    assign sel_n = 8'b0000_0000;
    
    always@(*)begin
        case(data_in)
            4'b0000: seg_n = NUM0;
            4'b0001: seg_n = NUM1;
            4'b0010: seg_n = NUM2;
            4'b0011: seg_n = NUM3;
            4'b0100: seg_n = NUM4;
            4'b0101: seg_n = NUM5;
            4'b0110: seg_n = NUM6;
            4'b0111: seg_n = NUM7;
            4'b1000: seg_n = NUM8;
            4'b1001: seg_n = NUM9;
            4'b1010: seg_n = NUMA;
            4'b1011: seg_n = NUMB;
            4'b1100: seg_n = NUMC;
            4'b1101: seg_n = NUMD;
            4'b1110: seg_n = NUME;
            4'b1111: seg_n = NUMF;
            default: seg_n = 8'd0;
        endcase
    end
    


//共陽型數碼管，數碼管顯示0-f對應的段選輸出信號
//    parameter     NUM0 = 8'hc0,
//                    NUM1 = 8'hf9,    
//                    NUM2 = 8'ha4,    
//                    NUM3 = 8'hb0,    
//                    NUM4 = 8'h99,    
//                    NUM5 = 8'h92,    
//                    NUM6 = 8'h82,    
//                    NUM7 = 8'hf8,    
//                    NUM8 = 8'h80,    
//                    NUM9 = 8'h90,
//                    NUMA = 8'h88,
//                    NUMB = 8'h83,
//                    NUMC = 8'hc6,
//                    NUMD = 8'ha1,
//                    NUME = 8'h86,
//                    NUMF = 8'h8e;

//共陰型數碼管，數碼管顯示0-f對應的段選輸出信號    
//    parameter       NUM0 = 8'b1100_0000,
//                    NUM1 = 8'b1111_1001,    
//                    NUM2 = 8'b1010_0100,    
//                    NUM3 = 8'b1011_0000,    
//                    NUM4 = 8'b1001_1001,    
//                    NUM5 = 8'b1001_0010,    
//                    NUM6 = 8'b1000_0010,    
//                    NUM7 = 8'b1111_1000,    
//                    NUM8 = 8'b1000_0000,    
//                    NUM9 = 8'b1001_0000,
//                    NUMA = 8'b1000_1000,
//                    NUMB = 8'b1000_0011,
//                    NUMC = 8'b1100_0110,
//                    NUMD = 8'b1010_0001,
//                    NUME = 8'b1000_0110,
//                    NUMF = 8'b1000_1110;


//共陰型數碼管，數碼管顯示0-f對應的段選輸出信號        
//parameter          NUM0 = 8'b0011_1111,
//                NUM1 = 8'b0000_0110,    
//                NUM2 = 8'b0101_1011,    
//                NUM3 = 8'b0100_1111,    
//                NUM4 = 8'b0110_0110,    
//                NUM5 = 8'b0110_1101,    
//                NUM6 = 8'b0111_1101,    
//                NUM7 = 8'b0000_0111,    
//                NUM8 = 8'b0111_1111,    
//                NUM9 = 8'b0110_1111,
//                NUMA = 8'b0111_0111,
//                NUMB = 8'b0111_1100,
//                NUMC = 8'b0011_1001,
//                NUMD = 8'b0101_1110,
//                NUME = 8'b0111_1001,
//                NUMF = 8'b0111_0001;



//共陰型數碼管，數碼管顯示0-f對應的段選輸出信號    
//parameter         NUM0 = 8'h3f,
//                NUM1 = 8'h06,    
//                NUM2 = 8'h5b,    
//                NUM3 = 8'h4f,    
//                NUM4 = 8'h66,    
//                NUM5 = 8'h6d,    
//                NUM6 = 8'h7d,    
//                NUM7 = 8'h07,    
//                NUM8 = 8'h7f,    
//                NUM9 = 8'h6f,
//                NUMA = 8'h77,
//                NUMB = 8'h7c,
//                NUMC = 8'h39,
//                NUMD = 8'h5e,
//                NUME = 8'h79,
//                NUMF = 8'h71;

endmodule 

參考資料如下：