【FPGA零基础学习之旅#12】三线制数码管驱动（74HC595）串行移位寄存器驱动

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一、效果演示

🥝ISSP调试演示：
程序配置完成：

调试：

🥝按键控制演示：

二、电路结构

在三线制的数码管驱动中，使用74HC595芯片来减少FPGA的管脚数量使用。

关于74HC595芯片的介绍和时序图，参考文章：74HC595介绍 和 74HC595 驱动。

在AC620开发板上的数码管驱动电路：

AC620开发板使用的是74HC595芯片的级联来驱动显示：

三、代码详解

3.1 总体结构设计

先上RTL视图：

HEX8模块将seg和sel信号传给m74HC595_Driver模块，然后将接收到的信号转换为DS、SH_CP和ST_CP信号；ISSP模块用于调试。

3.2 驱动74HC595芯片

关于74HC595芯片的驱动，主要参考该时序图进行代码编写：

74HC595是8位串行移位寄存器，带有存储寄存器和三态寄存器，其中移位寄存器和存储寄存器分别采用不同的时钟。其可以把串行的信号转为并行的信号，因此常用做各种数码管以及点阵屏的驱动芯片。

该芯片的主要IO：

IO名称	功能
DS / SER	串行数据输入端
STCP / RCK	存储寄存器的时钟输入。上升沿时移位寄存器中的数据进入存储寄存器，下降沿时存储寄存器中的数据保持不变。应用时通常将 ST_CP 置为低点平，移位结束后再在 ST_CP 端产生一个正脉冲更新显示数据。
SHCP / SCK	移位寄存器的时钟输入。上升沿时移位寄存器中的数据依次移动一位，即 Q0 中的数据移到 Q1 中，Q1 中的数据移到 Q2 中，依次类推；下降沿时移位寄存器中的数据保持不变。

由于在AC620开发板中芯片采用3.3V供电，这样在设计74HC595工作频率时，直接使用50M晶振四分频后的时钟作为其工作时钟。

74HC595的驱动代码，由于模块命名不能以数字开头，所以加了个m：

m74HC595_Driver.v：

module m74HC595_Driver(Clk,Rst_n,Data,S_EN,SH_CP,ST_CP,DS);parameter DATA_WIDTH = 16;input 		Clk;input 		Rst_n;input 		[DATA_WIDTH-1 : 0] Data;	//data to sendinput 		S_EN;						//send enoutput reg 	SH_CP;						//shift clockoutput reg 	ST_CP;						//latch data clockoutput reg 	DS;							//shift serial dataparameter CNT_MAX = 4;reg [15:0] divider_cnt;//分频计数器wire sck_pluse;reg [4:0]SHCP_EDGE_CNT;//SH_CP EDGE counterreg [15:0]r_data;always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)r_data <= 16'd0;else if(S_EN)r_data <= Data;elser_data <= r_data;end//clock dividealways@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)divider_cnt <= 16'd0;else if(divider_cnt == CNT_MAX)divider_cnt <= 16'd0;elsedivider_cnt <= divider_cnt + 1'b1;endassign sck_pluse = (divider_cnt == CNT_MAX);always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)SHCP_EDGE_CNT <= 5'd0;else if(sck_pluse)beginif(SHCP_EDGE_CNT ==  5'd31)SHCP_EDGE_CNT <= 5'd0;elseSHCP_EDGE_CNT <= SHCP_EDGE_CNT + 1'b1;endelseSHCP_EDGE_CNT <= SHCP_EDGE_CNT;end	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)beginSH_CP <= 1'b0;ST_CP <= 1'b0;DS <= 1'b0;	endelse begincase(SHCP_EDGE_CNT)5'd0: begin SH_CP <= 1'b0; ST_CP <= 1'b1; DS <= r_data[15]; end5'd1: begin SH_CP <= 1'b1; ST_CP <= 1'b0;end5'd2: begin SH_CP <= 1'b0; DS <= r_data[14];end5'd3: begin SH_CP <= 1'b1; end5'd4: begin SH_CP <= 1'b0; DS <= r_data[13];end5'd5: begin SH_CP <= 1'b1; end5'd6: begin SH_CP <= 1'b0; DS <= r_data[12];end5'd7: begin SH_CP <= 1'b1; end5'd8: begin SH_CP <= 1'b0; DS <= r_data[11];end5'd9: begin SH_CP <= 1'b1; end5'd10:begin SH_CP <= 1'b0; DS <= r_data[10];end5'd11:begin SH_CP <= 1'b1; end5'd12:begin SH_CP <= 1'b0; DS <= r_data[9];end5'd13:begin SH_CP <= 1'b1; end5'd14:begin SH_CP <= 1'b0; DS <= r_data[8];end5'd15:begin SH_CP <= 1'b1; end5'd16:begin SH_CP <= 1'b0; DS <= r_data[7];end5'd17:begin SH_CP <= 1'b1; end5'd18:begin SH_CP <= 1'b0; DS <= r_data[6];end5'd19:begin SH_CP <= 1'b1; end5'd20:begin SH_CP <= 1'b0; DS <= r_data[5];end5'd21:begin SH_CP <= 1'b1; end5'd22:begin SH_CP <= 1'b0; DS <= r_data[4];end5'd23:begin SH_CP <= 1'b1; end5'd24:begin SH_CP <= 1'b0; DS <= r_data[3];end5'd25:begin SH_CP <= 1'b1; end5'd26:begin SH_CP <= 1'b0; DS <= r_data[2];end5'd27:begin SH_CP <= 1'b1; end5'd28:begin SH_CP <= 1'b0; DS <= r_data[1];end5'd29:begin SH_CP <= 1'b1; end5'd30:begin SH_CP <= 1'b0; DS <= r_data[0];end5'd31:begin SH_CP <= 1'b1; enddefault:begin SH_CP <= 1'b0;ST_CP <= 1'b0;DS <= 1'b0;	endendcase	endendendmodule

RTL视图：

3.3 HEX8模块

该模块的设计是在该文章的讲解基础之上进行修改：【FPGA零基础学习之旅#11】数码管动态扫描。

上述参考文章中的模块可以称为HEX6，驱动了6个数码管，在此我们需要驱动8个数码管，故可以将模块命名为HEX8。

需要注意的是，在设计数码管位选的时候，一定要看清使用板子的电路结构，弄清楚是高电平位选还是低电平位选！

HEX8.v：

module HEX8(input 					Clk,		//50Minput 					Rst_n,		//复位input 					En,			//数码管显示使能input 		[31:0]		disp_data,	//8 × 4 = 32（8个数码管，数据格式为hex，总共输32位）output reg 	[7:0]		seg, 		//数码管段选output 		[7:0]		sel	 		//数码管位选（数码管选择）
);reg [7:0]sel_r;//--------<分频器>--------reg [14:0]divider_cnt;//25000-1reg clk_1K;reg [3:0]data_tmp;//待显示数据缓存//1KHz分频计数器always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)divider_cnt <= 15'd0;else if(!En)divider_cnt <= 15'd0;else if(divider_cnt == 24999)divider_cnt <= 15'd0;elsedivider_cnt <= divider_cnt + 1'b1;end//1KHz扫描时钟always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)clk_1K <= 1'b0;else if(divider_cnt == 24999)clk_1K <= ~clk_1K;elseclk_1K <= clk_1K;end//--------<6位循环移位寄存器>--------	always@(posedge clk_1K or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)sel_r <= 8'b0000_0001;else if(sel_r == 8'b1000_0000)sel_r <= 8'b0000_0001;elsesel_r <= sel_r << 1;end	//--------<6选1多路器>--------		always@(*)begincase(sel_r)8'b0000_0001:data_tmp = disp_data[3:0];8'b0000_0010:data_tmp = disp_data[7:4];8'b0000_0100:data_tmp = disp_data[11:8];8'b0000_1000:data_tmp = disp_data[15:12];8'b0001_0000:data_tmp = disp_data[19:16];8'b0010_0000:data_tmp = disp_data[23:20];8'b0100_0000:data_tmp = disp_data[27:24];8'b1000_0000:data_tmp = disp_data[31:28];default:data_tmp = 4'b0000;endcaseend//--------<LUT>--------		always@(*)begincase(data_tmp)4'h0:seg = 8'hc0;4'h1:seg = 8'hf9;4'h2:seg = 8'ha4;4'h3:seg = 8'hb0;4'h4:seg = 8'h99;4'h5:seg = 8'h92;4'h6:seg = 8'h82;4'h7:seg = 8'hf8;4'h8:seg = 8'h80;4'h9:seg = 8'h90;4'ha:seg = 8'h88;4'hb:seg = 8'h83;4'hc:seg = 8'hc6;4'hd:seg = 8'ha1;4'he:seg = 8'h86;4'hf:seg = 8'h8e;endcaseend//--------<2选1多路器>--------		assign sel = (En)?(sel_r):8'b1111_1111;endmodule

3.4 顶层模块

在顶层模块中需要调用ISSP这样的一个IP核，操作过程和调试方法参考：【FPGA零基础学习之旅#11】数码管动态扫描。

smg.v：

module smg(input 			Clk,		//50Minput 			Rst_n,//input [31:0] 	disp_data,output 			SH_CP,		//shift clockoutput 			ST_CP,		//latch data clockoutput 			DS			//shift serial data
);wire [7:0] sel;//数码管位选（选择当前要显示的数码管）wire [7:0] seg;//数码管段选（当前要显示的内容）	wire  [31:0] disp_data;ISSP UISSP(.probe(),.source(disp_data));HEX8 UHEX8(.Clk(Clk),.Rst_n(Rst_n),.En(1'b1),.disp_data(disp_data),.sel(sel),.seg(seg));m74HC595_Driver Um74HC595_Driver(.Clk(Clk),.Rst_n(Rst_n),.Data({seg,sel}),.S_EN(1'b1),.SH_CP(SH_CP),.ST_CP(ST_CP),.DS(DS));endmodule

四、按键控制改变数据值

项目要求： 通过控制按键，使得数码管显示不同的数据内容。

实现效果：

先看RTL视图来理解整体框架：

按下按键1，数码管显示12345678；按下按键2，数码管显示89abcdef。

按键消抖模块的设计参考该文章：【FPGA零基础学习之旅#10】按键消抖模块设计与验证（一段式状态机实现）。

在此贴出按键消抖的代码：

KeyFilter.v：

//
//模块：按键消抖模块
//key_state：输出消抖之后按键的状态
//key_flag：按键消抖结束时产生一个时钟周期的高电平脉冲
//
module KeyFilter(input Clk,input Rst_n,input key_in,output reg key_flag,output reg key_state
);//按键的四个状态localparamIDLE 		= 4'b0001,FILTER1 	= 4'b0010,DOWN 		= 4'b0100,FILTER2 	= 4'b1000;//状态寄存器reg [3:0] curr_st;//边沿检测输出上升沿或下降沿wire pedge;wire nedge;//计数寄存器reg [19:0]cnt;//使能计数寄存器reg en_cnt;//计数满标志信号reg cnt_full;//计数满寄存器//------<边沿检测电路的实现>------//边沿检测电路寄存器reg key_tmp0;reg key_tmp1;//边沿检测always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)beginkey_tmp0 <= 1'b0;key_tmp1 <= 1'b0;endelse beginkey_tmp0 <= key_in;key_tmp1 <= key_tmp0;end	endassign nedge = (!key_tmp0) & (key_tmp1);assign pedge = (key_tmp0)  & (!key_tmp1);//------<状态机主程序>------	//状态机主程序always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)begincurr_st <= IDLE;en_cnt <= 1'b0;key_flag <= 1'b0;key_state <= 1'b1;endelse begincase(curr_st)IDLE:beginkey_flag <= 1'b0;if(nedge)begincurr_st <= FILTER1;en_cnt <= 1'b1;endelsecurr_st <= IDLE;endFILTER1:beginif(cnt_full)beginkey_flag <= 1'b1;key_state <= 1'b0;curr_st <= DOWN;en_cnt <= 1'b0;end	else if(pedge)begincurr_st <= IDLE;en_cnt <= 1'b0;endelsecurr_st <= FILTER1;endDOWN:beginkey_flag <= 1'b0;if(pedge)begincurr_st <= FILTER2;en_cnt <= 1'b1;endelsecurr_st <= DOWN;endFILTER2:beginif(cnt_full)beginkey_flag <= 1'b1;key_state <= 1'b1;curr_st <= IDLE;en_cnt <= 1'b0;end	else if(nedge)begincurr_st <= DOWN;en_cnt <= 1'b0;endelsecurr_st <= FILTER2;enddefault:begincurr_st <= IDLE;en_cnt <= 1'b0;key_flag <= 1'b0;key_state <= 1'b1;endendcaseendend//------<20ms计数器>------		//20ms计数器//Clk 50_000_000Hz//一个时钟周期为20ns//需要计数20_000_000 / 20 = 1_000_000次always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)cnt <= 20'd0;else if(en_cnt)cnt <= cnt + 1'b1;elsecnt <= 20'd0;endalways@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)cnt_full <= 1'b0;else if(cnt == 999_999)cnt_full <= 1'b1;elsecnt_full <= 1'b0;endendmodule

简单编写了一个KeyData模块用于不同数据的输入：

KeyData.v：

module KeyData(input Clk,input Rst_n,input Key_state1,input Key_flag1,input Key_state2,input Key_flag2,output reg [31:0] dis_data
);always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)dis_data <= 32'h00000000;else if(Key_flag1 && !Key_state1)dis_data <= 32'h12345678;else if(Key_flag2 && !Key_state2)dis_data <= 32'h89abcdef;else dis_data <= dis_data;endendmodule

顶层模块KeyCtrlSmg.v：

module KeyCtrlSmg(input 	Clk,input 	Rst_n,input 	KeyIn1,input 	KeyIn2,output 	SH_CP,		//shift clockoutput 	ST_CP,		//latch data clockoutput 	DS			//shift serial data
);wire key_state1;wire key_flag1;wire key_state2;wire key_flag2;wire [7:0] sel;//数码管位选（选择当前要显示的数码管）wire [7:0] seg;//数码管段选（当前要显示的内容）	wire  [31:0] dis_data;KeyFilter KeyFilter1(.Clk(Clk),.Rst_n(Rst_n),.key_in(KeyIn1),.key_flag(key_flag1),.key_state(key_state1));KeyFilter KeyFilter2(.Clk(Clk),.Rst_n(Rst_n),.key_in(KeyIn2),.key_flag(key_flag2),.key_state(key_state2));KeyData UKeyData(.Clk(Clk),.Rst_n(Rst_n),.Key_state1(key_state1),.Key_flag1(key_flag1),.Key_state2(key_state2),.Key_flag2(key_flag2),.dis_data(dis_data));HEX8 UHEX8(.Clk(Clk),.Rst_n(Rst_n),.En(1'b1),.disp_data(dis_data),.sel(sel),.seg(seg));m74HC595_Driver Um74HC595_Driver(.Clk(Clk),.Rst_n(Rst_n),.Data({seg,sel}),.S_EN(1'b1),.SH_CP(SH_CP),.ST_CP(ST_CP),.DS(DS));endmodule

测试激励文件：

`timescale 1ns/1ns
`define clock_period 20module KeyCtrlSmg_tb;reg Clk;reg Rst_n;reg KeyIn1;reg KeyIn2;wire SH_CP;wire ST_CP;wire DS;KeyCtrlSmg UKeyCtrlSmg(.Clk(Clk),.Rst_n(Rst_n),.KeyIn1(KeyIn1),.KeyIn2(KeyIn2),.SH_CP(SH_CP),		//shift clock.ST_CP(ST_CP),		//latch data clock.DS(DS)				//shift serial data);initial Clk = 1;always#(`clock_period / 2) Clk = ~Clk;initial begin Rst_n = 0;KeyIn1 = 1;KeyIn2 = 1;#200;Rst_n = 1;#200;KeyIn1 = 0;KeyIn2 = 1;#(`clock_period*10000)KeyIn1 = 1;KeyIn2 = 1;#(`clock_period*10000)KeyIn1 = 1;KeyIn2 = 0;#(`clock_period*10000)$stop;endendmodule

仿真结果：

🧸结尾

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