【FPGA零基础学习之旅#11】数码管动态扫描

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一、效果演示

🥝Spirit_V2开发板按键控制数码管：

🥝AV4开发板数码管动态扫描：

二、电路结构

上图电路结构的子模块介绍：

名称	功能描述
divider	分频产生1KHz的扫描时钟
shift6	6位循环移位寄存器
MUX6	数据输入选择
MUX2	使能选择
LUT	数据译码器

由于各子模块的代码量不会特别大，因此将在一个文件中编写。

三、代码详解

先上代码：

smg_HEX.v:

module smg_HEX(input 					Clk,		//50Minput 					Rst_n,		//复位input 					En,			//数码管显示使能input 		[23:0]		disp_data,	//6 × 4 = 24（6个数码管，数据格式为hex，总共输入24位）output reg 	[7:0]		seg, 		//数码管段选output 		[5:0]		sel	 		//数码管位选（数码管选择）
);reg [5:0]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 <= 6'b000_001;else if(sel_r == 6'b100_000)sel_r <= 6'b000_001;elsesel_r <= sel_r << 1;end	//--------<6选1多路器>--------		always@(*)begincase(sel_r)6'b00_0001:data_tmp = disp_data[3:0];6'b00_0010:data_tmp = disp_data[7:4];6'b00_0100:data_tmp = disp_data[11:8];6'b00_1000:data_tmp = disp_data[15:12];6'b01_0000:data_tmp = disp_data[19:16];6'b10_0000:data_tmp = disp_data[23:20];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):6'b111_111;endmodule

需要注意端口列表：

module smg_HEX(input 					Clk,		//50Minput 					Rst_n,		//复位input 					En,			//数码管显示使能input 		[23:0]		disp_data,	//6 × 4 = 24（6个数码管，数据格式为hex，总共输入24位）output reg 	[7:0]		seg, 		//数码管段选output 		[5:0]		sel	 		//数码管位选（数码管选择）
);

En使能信号只有在高电平时，数码管显示。加入使能信号端口是为了低功耗设计的实现。

接下来做仿真测试：

smg_HEX_tb.v：

`timescale 1ns/1ns
`define clock_period 20module smg_HEX_tb;reg 				Clk;	//50Mreg 				Rst_n;reg 				En;		//数码管显示使能reg		[23:0]		disp_data;wire 	[7:0]		seg; 	//数码管段选wire 	[5:0]		sel;	//数码管位选（数码管选择）smg_HEX Usmg_HEX(.Clk(Clk),				//50M.Rst_n(Rst_n),.En(En),				//数码管显示使能.disp_data(disp_data),.seg(seg), 				//数码管段选.sel(sel)	 			//数码管位选（数码管选择）);initial Clk = 1;always#(`clock_period / 2) Clk =~Clk;initial beginRst_n = 1'b0;En = 1;disp_data = 24'h123456;#(`clock_period*20);Rst_n = 1'b1;#(`clock_period*20);#20000000;disp_data = 24'h89abcd;#20000000;$stop;endendmodule

仿真结果：

RTL：

四、AV4开发板演示

上述代码为数码管动态扫描的驱动代码，使用时需要添加上层模块。

AV4开发板开箱视频：【FPGA-AV4】火热售卖中！欢迎大家抢购！小月电子~（含购买链接）。

在AV4开发板上的实现，主要使用到了ISSP调试工具，ISSP的ip核创建：

🥝创建一个新的ip核：

🥝选择ISSP，选择好Verilog HDL和路径：

🥝该项目只需要用到source端口：

🥝下一步：

🥝完成：

issp.v:

// megafunction wizard: %In-System Sources and Probes%VBB%
// GENERATION: STANDARD
// VERSION: WM1.0
// MODULE: altsource_probe // ============================================================
// File Name: issp.v
// Megafunction Name(s):
// 			altsource_probe
//
// Simulation Library Files(s):
// 			altera_mf
// ============================================================
// ************************************************************
// THIS IS A WIZARD-GENERATED FILE. DO NOT EDIT THIS FILE!
//
// 13.0.0 Build 156 04/24/2013 SJ Full Version
// ************************************************************//Copyright (C) 1991-2013 Altera Corporation
//Your use of Altera Corporation's design tools, logic functions 
//and other software and tools, and its AMPP partner logic 
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//to the terms and conditions of the Altera Program License 
//Subscription Agreement, Altera MegaCore Function License 
//Agreement, or other applicable license agreement, including, 
//without limitation, that your use is for the sole purpose of 
//programming logic devices manufactured by Altera and sold by 
//Altera or its authorized distributors.  Please refer to the 
//applicable agreement for further details.module issp (probe,source);input	  probe;output	[23:0]  source;endmodule// ============================================================
// CNX file retrieval info
// ============================================================
// Retrieval info: PRIVATE: INTENDED_DEVICE_FAMILY STRING "Cyclone IV E"
// Retrieval info: LIBRARY: altera_mf altera_mf.altera_mf_components.all
// Retrieval info: CONSTANT: ENABLE_METASTABILITY STRING "NO"
// Retrieval info: CONSTANT: INSTANCE_ID STRING "NONE"
// Retrieval info: CONSTANT: PROBE_WIDTH NUMERIC "0"
// Retrieval info: CONSTANT: SLD_AUTO_INSTANCE_INDEX STRING "YES"
// Retrieval info: CONSTANT: SLD_INSTANCE_INDEX NUMERIC "0"
// Retrieval info: CONSTANT: SOURCE_INITIAL_VALUE STRING " 0"
// Retrieval info: CONSTANT: SOURCE_WIDTH NUMERIC "24"
// Retrieval info: USED_PORT: probe 0 0 0 0 INPUT NODEFVAL "probe"
// Retrieval info: USED_PORT: source 0 0 24 0 OUTPUT NODEFVAL "source[23..0]"
// Retrieval info: CONNECT: @probe 0 0 0 0 probe 0 0 0 0
// Retrieval info: CONNECT: source 0 0 24 0 @source 0 0 24 0
// Retrieval info: GEN_FILE: TYPE_NORMAL issp.v TRUE
// Retrieval info: GEN_FILE: TYPE_NORMAL issp.inc TRUE
// Retrieval info: GEN_FILE: TYPE_NORMAL issp.cmp TRUE
// Retrieval info: GEN_FILE: TYPE_NORMAL issp.bsf TRUE
// Retrieval info: GEN_FILE: TYPE_NORMAL issp_inst.v TRUE
// Retrieval info: GEN_FILE: TYPE_NORMAL issp_bb.v TRUE
// Retrieval info: LIB_FILE: altera_mf

将该ip核添加到项目文件中，并在顶层文件中例化模块：

module smg_ISSP(input 					Clk,		//50Minput 					Rst_n,		//复位output 	 	[7:0]		seg, 		//数码管段选output 		[5:0]		sel	 		//数码管位选（数码管选择）
);wire [23:0]disp_data;smg_HEX Usmg_HEX(.Clk(Clk),				//50M.Rst_n(Rst_n),			//复位.En(1'b1),				//数码管显示使能.disp_data(disp_data),	//6 × 4 = 24（6个数码管，数据格式为hex，总共输入24位）.seg(seg), 				//数码管段选.sel(sel)	 			//数码管位选（数码管选择）);issp Uissp(.probe(),.source(disp_data));endmodule

将上述程序配置好之后，数码管显示如下：

当程序配置好之后，使用ISSP调试工具，打开步骤：
🍋在Tools中打开：

🍋未发现设备，先点击ok：

🍋在Hardware中选择对应的设备：

🍋将数据显示格式调整为hex格式：

🍋将数据改为123456：

🍋测试结果：

🍋将数据改为ABCDEF：

🍋测试结果：

五、Spirit_V2开发板演示

Spirit_V2开发板介绍：【FPGA-Spirit_V2】小精灵V2开发板初使用。

接下来在Spirit_V2开发板上实验，通过按键控制数码管亮灭，实现简单的低功耗设计：

先上RTL视图，便于理解编程思路：

按键信号经过按键消抖模块之后，有效信号进入数码管数据和使能模块，最后信号进入数码管驱动模块。

按键消抖模块的详细讲解：【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）。

接下来为各模块的代码：

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

DataAndEn.v:

module DataAndEn(input 			 		Clk,input 			 		Rst_n,input           		key_flag,input 			 		key_state,output 	reg [23:0] 	disp_data,output 	reg	 		En
);always@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)En <= 1'b0;else if(key_state == 1'b0)En <= 1'b1;else En <= 1'b0;endalways@(posedge Clk or negedge Rst_n)beginif(!Rst_n)disp_data <= 24'h0;else if(!key_state)disp_data <= 24'h89abcd;else;endendmodule

数码管驱动模块的代码保持不变，接下来为顶层模块：

smg_top.v:

module smg_top(input 				Clk,			input 				Rst_n,		input 				key_in,		output  [7:0]		seg, output 	[5:0]		sel		
);wire 			key_flag;wire 			key_state;wire 			En;wire [23:0]		disp_data;KeyFilter UKeyFilter(.Clk(Clk),.Rst_n(Rst_n),.key_in(key_in),.key_flag(key_flag),.key_state(key_state));DataAndEn UDataAndEn(.Clk(Clk),.Rst_n(Rst_n),.key_flag(key_flag),.key_state(key_state),.disp_data(disp_data),.En(En));smg_HEX Usmg_HEX(.Clk(Clk),			.Rst_n(Rst_n),		.En(En),			.disp_data(disp_data),.seg(seg), 			.sel(sel)	 		);endmodule

🧸结尾

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