FPGA入门学习笔记(十四)Vivado实现数码管段码显示以及动态扫描

硬件结构

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软件架构

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仿真波形

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设计文件程序

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`timescale 1ns/1ns
module hex8_2(
    Clk,
    Reset_N,
    Disp_Data,
    Sel,
    DisPlay
    );
    input Clk;
    input Reset_N;
    input [31:0]Disp_Data;
    output reg [7:0]Sel;
    output reg [7:0]DisPlay;
    
    reg clk_1k;
    reg [15:0]div_cnt;
    
    always@(posedge Clk or negedge Reset_N)
    if(!Reset_N)
        div_cnt <= 0;
    else if(div_cnt >= 49999)
        div_cnt <= 0;
    else
        div_cnt <= div_cnt + 1'd1;
    
    // clk_1k采用使能时钟,避免使用门控时钟
    always@(posedge Clk or negedge Reset_N)
    if(!Reset_N)
        clk_1k <= 0;
    else if(div_cnt == 49999)
        clk_1k <= 1'b1;
    else
        clk_1k <= 0;
    
    
    reg [2:0]Num;
    always@(posedge Clk or negedge Reset_N)
    if(!Reset_N)
        Num <= 0;
    else if(clk_1k)
        Num <= Num + 1'd1;
    
    // 3_8译码器
    always@(posedge Clk)
        case(Num)
            3'b000: Sel = 8'b0000_0001;
            3'b001: Sel = 8'b0000_0010;
            3'b010: Sel = 8'b0000_0100;
            3'b011: Sel = 8'b0000_1000;
            3'b100: Sel = 8'b0001_0000;
            3'b101: Sel = 8'b0010_0000;
            3'b110: Sel = 8'b0100_0000;
            3'b111: Sel = 8'b1000_0000;
        endcase
    
    // 8选1多路器
    reg [3:0]Disp_tmp;
    always@(posedge Clk)
        case(Num)
            3'b000: Disp_tmp = Disp_Data[3:0];
            3'b001: Disp_tmp = Disp_Data[7:4];
            3'b010: Disp_tmp = Disp_Data[11:8];
            3'b011: Disp_tmp = Disp_Data[15:12];
            3'b100: Disp_tmp = Disp_Data[19:16];
            3'b101: Disp_tmp = Disp_Data[23:20];
            3'b110: Disp_tmp = Disp_Data[27:24];
            3'b111: Disp_tmp = Disp_Data[31:28];
        endcase
    always@(posedge Clk)
        case(Disp_tmp)
            0:  DisPlay = 8'hc0;
            1:  DisPlay = 8'hf9;
            2:  DisPlay = 8'ha4;
            3:  DisPlay = 8'hb0;
            4:  DisPlay = 8'h99;
            5:  DisPlay = 8'h92;
            6:  DisPlay = 8'h82;
            7:  DisPlay = 8'hf8;
            8:  DisPlay = 8'h80;
            9:  DisPlay = 8'h90;
            10: DisPlay = 8'h88;
            11: DisPlay = 8'h83;
            12: DisPlay = 8'hc6;
            13: DisPlay = 8'ha1;
            14: DisPlay = 8'h86;
            15: DisPlay = 8'h8e;
        endcase  
endmodule
`timescale 1ns / 1ns

module hex8_test(
        Clk,
        Reset_N,
        Sel,
        DisPlay
    );
    input Clk;
    input Reset_N;
    output [7:0]Sel;
    output [7:0]DisPlay;
    wire [31:0]Disp_Data;
    
    hex8_2 hex8_2(
        Clk,
        Reset_N,
        Disp_Data,
        Sel,
        DisPlay
    );
    assign Disp_Data = 32'h13569bdf;
endmodule

仿真文件程序

`timescale 1ns / 1ns

module hex8_tb();
    reg Clk;
    reg Reset_N;
    reg [31:0]Disp_Data;
    wire [7:0]Sel;
    wire [7:0]DisPlay;
    hex8_2 hex8_2(
            Clk,
            Reset_N,
            Disp_Data,
            Sel,
            DisPlay
        );
    initial Clk = 0;
    always #10 Clk = !Clk;
    initial begin
        Reset_N <= 0;
        Disp_Data <= 32'h00000000;
        #201;
        Reset_N <= 1;
        Disp_Data <= 32'h12345678;
        #10000000;
        Disp_Data <= 32'h9abcdef0;
        #10000000;       
        $stop;
    end
endmodule
### Vivado实现数码管显示的设计与调试 #### 设计概述 在FPGA项目中,使用7段数码管进行数字显示是一个常见的应用场景。通过利用74HC595串转并芯片可以有效节省FPGA的引脚资源[^1]。对于具体的硬件平台如EGO1实验板来说,其配备的是7段共阴极数码管,这意味着当某段对应的引脚输出为高电平时,该段会点亮。 #### Verilog 实现案例 下面提供了一个简单的Verilog代片段用于控制单个7段数码管显示特定数值: ```verilog module seven_segment_display( input wire clk, // 时钟信号 input wire rst_n, // 复位信号(低电平有效) output reg [6:0] seg, // 连接到数码管的a-g段 input wire [3:0] digit // 待显示的数据(四位二进制) ); always @(posedge clk or negedge rst_n) begin : proc_seg if (!rst_n) seg <= 7'b0; else case (digit) 4'd0: seg <= 7'b1000000; // '0' 4'd1: seg <= 7'b1111001; // '1' 4'd2: seg <= 7'b0100100; // '2' 4'd3: seg <= 7'b0110000; // '3' 4'd4: seg <= 7'b0011001; // '4' 4'd5: seg <= 7'b0010010; // '5' 4'd6: seg <= 7'b0000010; // '6' 4'd7: seg <= 7'b1111000; // '7' 4'd8: seg <= 7'b0000000; // '8' 4'd9: seg <= 7'b0010000; // '9' default: seg <= 7'b0111111; // 默认状态全部熄灭 endcase end endmodule ``` 此模块接收一个4位二进制数作为输入,并将其转换成相应的7段编形式输出给数码管。注意这里假设`seg[0]`对应于最右边的一段(`a`)而`seg[6]`则代表小数点位置(dp),这可能需要根据实际连接情况调整。 为了进一步优化设计,在多数码管应用场合下还可以引入动态扫描技术以减少所需的I/O口数量;同时也可以考虑加入74HC595移位寄存器来进行数据传输从而节约更多的IO端口资源。 #### 调试建议 - **仿真验证**:编写测试激励文件(testbench), 对上述功能模块进行全面的功能模拟测试。 - **逻辑分析仪捕获波形**:如果遇到问题可以通过外部工具比如逻辑分析仪捕捉内部节点的变化趋势帮助定位错误所在。 - **逐步增加复杂度**:先确保单一数码管能够正常工作后再尝试扩展至多个单元甚至加入更复杂的特性如滚动显示等。
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