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基于 FPGA 的数码管动态扫描驱动设计

1. 实验引言

在电子系统中，通常都需要有输出设备来输出或显示一定的信息，以指示当前系统运行的状态。在以单片机和 ARM 为主的电子系统中，液晶屏是理想的输出设备。而 FPGA 则因为其独特的硬件结构，如果用 RTL 级电路来驱动彩色液晶屏来显示一定的数据，势必是非常不划算的选择，而且驱动也极为复杂。数码管作为一种能够直观显示一定数据信息的输出设备，具有驱动简单、显示直观的特点，尤其适合作为 FPGA 系统的输出设备。本节，我们就将和大家一起进行数码管驱动的开发。

2. 实验目的

实现 6 位 7 段数码管的驱动，待显示数据以 BCD 格式输入。数码管刷新时钟为 1KHz。实验使用了 4 个独立按键作为输入，通过按键来改变需要数码管显示的数据，以验证数码管驱动的正确性，同时也可检验独立按键消抖模块的可靠性。

3．实验内容

本实验的内容是数码管动态扫描驱动的设计，通过外部四位按键的不同操作来驱动数码管显示不同的值。

4. 实验原理

数码管所谓的动态扫描，就是利用人眼的视觉暂留特性，在人眼能分辨的变化速度以外，快速分时的点亮各个数码管及其对应的段。因为分别点亮所有数码管一次所用时间小于人眼的视觉暂留，因此，在人们眼里看来，这些数码管都是同时持续点亮的，并不会有闪烁的感觉。

图 1 为 3 位 7 段数码管的等效电路图，在这个图中，可以明显的看到 24个发光二极管被分为了三组，每一组的 8 个发光二极管正极被接在了一起，通过一个三极管与 VCC 相连。三极管的基极连接到了 FPGA 的 IO 上，因此，只需要 FPGA 对应的 IO 上给出低电平，三极管便会导通。而三组 LED 中所有的相同编号的 LED 的负极被连接在了一起，并接到了 FPGA 的 IO 上。如果我们希望将最左边一组的 led0、led5、led7 三个编号的 led 灯点亮，其它 led 不亮，则只需要给 Q0 的基极（sel0）连接上低电平，并将 led0、led5、led7 的负极（a、f、h）连接上低电平，其它所有端口都输出高电平，则最左边一组的对应的三个 led 灯就会被点亮，而其它 led 则会处于熄灭状态。假如我们需要在三秒时间内，完成以下三次操作：第一次操作，点亮最左边一组 led 灯的 led0、led5、led7；第二次操作，点亮中间一组 led 灯的 led1、led2、led3；第三次操作，点亮最右边一组 led 灯的 led2、led4、led6；那么我们只需要按照如下表格中列出的真值表操作即可：

按照以上表格，我们就能知道该如何操作了，只需要在不同的时间给各个 IO 不同的电平，便能实现我们想要的亮灭组合。以上我们是以 1 秒为单位进行 led 组的切换的，假如我们将切换速度加快，变为 1 毫秒一切换，会是什么情况呢？在 1 毫秒一切换的速度下，完成所有操作所需时间为 3ms，远远超出了我们人眼所能辨识的变化速度范围。如果我们让以上三个操作永远循环的进行下去，那么我们将看见三组 led 灯中，我们点亮的那几个 led 是同时且一直处于亮着的状态的，这便是动态扫描的原理，假如我们把每个 led做成一个长条型的，并按照如下形状摆放，便就是我们常见的数码管了。

5. 硬件设计

在这个图中，共有 6 位数码管，每个数码管的正极被接在一个驱动三极管上，三极管的基极连接到三八译码器的 Y 端，则 FPGA 只需要三个引脚就可最多控制 8 个数码管的位选。数码管的段选在串接了 470 欧姆的电阻后与FPGA 的 IO 相连。这里 470 欧姆的电阻主要起到限流的作用，保证流过数码管的电流在正常范围内。

6. 系统结构框图

系统端口及其意义如下：

内部信号及其意义如下：

7. 代码解释

因为数码管属于低速设备，其正常的扫描频率为 500~10KHz，扫描频率太快，会导致系统功耗增加，显示效果变暗。扫描频率太慢，会有明显的闪烁感。本实验通过调试观察，选择以 1KHz 作为扫描频率，实际显示效果非常好。因此本实验首先就需要产生一个 1KHz 的扫描时钟，该时钟由系统时钟分频得到。产生 1KHz 扫描时钟的代码如下：

其中，定义了一个全局参数 system_clk，该参数为 Clk 的频率，不同的时钟频率，只需要更改该参数，就可改变分频计数器的最大计数值，以保证 1KHz分频的精准性。在驱动中，数码管的位选以扫描时钟的速率进行切换，因为只有 6 位数码管，因此当位选计数到 6-1 后必须清零从头开始计数。相关代码如下：