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1.1 總體設計

1.1.1 概述

LED數碼管以發光二極管作為發光單元，顏色有單紅，黃，藍，綠，白，黃綠等效果，并且可以構造成“8”字形。數碼管根據LED的接法不同分為共陰和共陽兩類，它們的發光原理是一樣的，只是它們的電源極性不同而已。

數碼管可以通過驅動電路來驅動內部的各個段碼，從而顯示出需要的數字。根據數碼管驅動方式的不同，可以將其分為靜態式和動態式兩類。

1.1.2 設計目標

完成數碼管的顯示，具體功能要求如下：

1. 間隔1s切換數碼管位選，做到數碼管從左到右流動顯示的效果；

2. 數碼管顯示的數值從0開始，每切換一位位選數值加一；

1.1.3信號列表

1.1.4設計思路

數碼管顯示原理

數碼管的8個顯示字段”a、b、c、d、e、f、g、h”對應顯示面板的位置如下圖所示。

數碼管顯示數字0到9對應的gfedcba值如下表所示。

表5- 1 數碼管顯示數字與字段值的對應關系

數碼管靜態驅動是指每個數碼管的每一個段碼都通過一個I/O端口進行驅動，或使用如BCD碼二-十進制譯碼器譯碼進行驅動，也稱直流驅動。靜態驅動編程簡單，顯示亮度高，但占用的I/O端口多，這里不使用這種方法。

數碼管動態驅動是將所有數碼管的8個顯示字段"a、b、c、d、e、f、g、h"的同名端連接在一起，此外每個數碼管的公共極COM需增加由各自獨立I/O線控制的位選通控制電路。當要輸出某一字形碼時，所有數碼管都會接收到相同的字形碼，但究竟是哪個數碼管會顯示出字形取決于單片機對位選通COM端電路的控制。只需將顯示數碼管的選通控制打開，該位就會顯示出字形，而沒有選通的數碼管并不會點亮。數碼管特定的發光二極管段加上電壓后，這些特定的段就會發亮，并且當每位元數碼管的點亮時間為1～20ms，由于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并非同時點亮，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，使得動態顯示的效果和靜態顯示是一樣的，這樣能夠節省大量的I/O口，而且功耗更低。

以下是MP801開發板對應的數碼管原理圖，并且是共陽極的數碼管：

工程架構

根據設計目標將現象翻譯成信號表示如下：

第1秒，數碼管0顯示數字“0”，即seg_sel的值為8’b1111_1110，seg_ment的值為8’b1100_0000；

第2秒，數碼管1顯示數字“1”，即seg_sel的值為8’b1111_1101，seg_ment的值為8'b1111_1001；

第3秒，數碼管2顯示數字“2”，即seg_sel的值為8’b1111_1011，seg_ment的值為8'b1010_0100；

第4秒，數碼管3顯示數字“3”，即seg_sel的值為8’b1111_0111，seg_ment的值為8'b1011_0000；

第5秒，數碼管4顯示數字“4”，即seg_sel的值為8’b1110_1111，seg_ment的值為8'b1001_1001；

第6秒，數碼管5顯示數字“5”，即seg_sel的值為8’b1101_1111，seg_ment的值為8'b1001_0010；

第7秒，數碼管6顯示數字“6”，即seg_sel的值為8’b1011_1111，seg_ment的值為8'b1000_0010；

第8秒，數碼管7顯示數字“7”，即seg_sel的值為8’b0111_1111，seg_ment的值為8'b1111_1000；

第九秒，回到數碼管0顯示數字“0”，以此進行循環。

總結發現，數碼管每隔1秒進行變化，且8個數碼管輪流顯示。

因此本工程用到了三個計數器的架構，具體架構如下圖所示：

1秒計數器cnt_1s：用于計算1s的時間，加一條件為1，表示一直在計數；數到50,000,000下，表示數到1s就結束。

位選計數器sel_cnt：用于區分選通的數碼管，加一條件為end_cnt_1s，表示每間隔1秒的時間后，切換選通下一個數碼管；數到8下，表示8個數碼管都選通過一輪了。

1.1.5參考代碼

module  seg_disp(
                 rst_n       ,
                 clk         ,
                 seg_sel     ,
                 segment      
             );


parameter  TIME_1S        =       50_000_000  ;
parameter  SEG_WID        =       8           ;
parameter  SEG_NUM        =       8           ;
parameter  CNT_WID        =       10          ;
parameter  TIME_20US      =       10'd1000    ;
parameter  NUM_0          =       8'b1100_0000;
parameter  NUM_1          =       8'b1111_1001;
parameter  NUM_2          =       8'b1010_0100;
parameter  NUM_3          =       8'b1011_0000;
parameter  NUM_4          =       8'b1001_1001;
parameter  NUM_5          =       8'b1001_0010;
parameter  NUM_6          =       8'b1000_0010;
parameter  NUM_7          =       8'b1111_1000;
parameter  NUM_8          =       8'b1000_0000;
parameter  NUM_9          =       8'b1001_0000;
parameter  NUM_ERR        =       8'b1111_1111;


input                             clk         ;
input                             rst_n       ;
output [SEG_WID - 1:0]            seg_sel     ;
output [SEG_WID - 1:0]            segment     ;

reg    [SEG_WID - 1:0]            seg_sel     ;
reg    [SEG_WID - 1:0]            segment     ;

reg    [ 31    :    0]            cnt_1s      ;
reg    [SEG_NUM - 1:0]            sel_cnt     ;

reg    [ 4 - 1 :    0]            seg_tmp     ;

wire                              add_cnt_1s  ;
wire                              end_cnt_1s  ;
wire                              add_sel_cnt ;
wire                              end_sel_cnt ;


always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (rst_n==0) begin
        cnt_1s <= 0;
    end
    else if(add_cnt_1s) begin
        if(end_cnt_1s)
            cnt_1s <= 0;
        else
            cnt_1s <= cnt_1s+1 ;
   end
end
assign add_cnt_1s = 1;
assign end_cnt_1s = add_cnt_1s  && cnt_1s == TIME_1S-1 ;


always  @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(rst_n==1'b0)begin
        sel_cnt <= 0;
    end
    else if(add_sel_cnt)begin
        if(end_sel_cnt)
            sel_cnt <= 0;
        else
            sel_cnt <= sel_cnt + 1;
    end
end
assign add_sel_cnt = end_cnt_1s;
assign end_sel_cnt = add_sel_cnt && sel_cnt == SEG_NUM-1;

always  @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(rst_n==1'b0)begin
        seg_sel <= {SEG_NUM{1'b1}};
    end
    else begin
        seg_sel <= ~(1'b1 << sel_cnt);
    end
end

always  @(*)begin
    if(rst_n==1'b0)
        seg_tmp = {SEG_NUM{1'b1}};
    else
        seg_tmp = sel_cnt ;
end



always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(rst_n==1'b0)begin
        segment<=NUM_0;
    end
    else  begin
        case (seg_tmp)
            0 : segment <= NUM_0;
            1 : segment <= NUM_1;
            2 : segment <= NUM_2;
            3 : segment <= NUM_3;
            4 : segment <= NUM_4;
            5 : segment <= NUM_5;
            6 : segment <= NUM_6;
            7 : segment <= NUM_7;
            8 : segment <= NUM_8;
            9 : segment <= NUM_9;
            default : segment <= NUM_ERR;
        endcase
    end
end

endmodule

1.2 效果和總結