比賽計分系統(tǒng)設(shè)計

• 任務(wù)：基于 STEP-MAX10M08核心板 和 STEP BaseBoard V3.0底板 完成比賽計分系統(tǒng)設(shè)計并觀察調(diào)試結(jié)果
• 要求：按動核心板獨立按鍵，驅(qū)動底板上8位數(shù)碼管為比賽雙方在0~999內(nèi)計分。
• 解析：FPGA驅(qū)動獨立按鍵，當(dāng)按動兩隊加分按鍵時，控制兩隊分?jǐn)?shù)調(diào)整，最后通過驅(qū)動底板上的數(shù)碼管電路將得分值顯示在數(shù)碼管上。

根據(jù)前面的實驗解析我們可以得知，該設(shè)計可以拆分成三個功能模塊實現(xiàn)，

• Debounce：通過驅(qū)動獨立按鍵工作獲取操作信息數(shù)據(jù)。
• Counter：根據(jù)按鍵的操作信息控制雙方比賽分值調(diào)整。
• Segment_scan：通過驅(qū)動串轉(zhuǎn)并芯片74HC595控制數(shù)碼管掃描顯示比賽分值。

頂層模塊Game_Score通過實例化三個子模塊并將對應(yīng)的信號連接，最終實現(xiàn)比賽計分系統(tǒng)的總體設(shè)計。

在前面之前的教程中數(shù)碼管章節(jié)已為大家介紹了數(shù)碼管獨立顯示的相關(guān)內(nèi)容，關(guān)于獨立顯示這里就不在贅述。我們的實驗平臺的擴展板卡上有8位數(shù)碼管，根據(jù)驅(qū)動方法不同，有以下比較：

獨立顯示：控制每個數(shù)碼管至少需要8個I/O口控制，8位數(shù)碼管就需要8*8 = 64根信號線才能分別顯示。獨立顯示實現(xiàn)簡單，但是需要大量的信號線。

掃描顯示：將每位數(shù)碼管的同一段選信號連接在一起，這樣我們就只需要8根段選信號和8根位選信號，共計16根信號。掃描顯示可以有效節(jié)約I/O口資源，實現(xiàn)起來稍顯復(fù)雜。

上圖中我們用了4位數(shù)碼管，共用了段選控制8+位選控制4=12管腳，如果是8位數(shù)碼管，按照上面方式連接，段選控制還是8管腳，位選控制也增加到8管腳，共計16管腳，當(dāng)然硬件的連接還需要結(jié)合軟件的驅(qū)動，掃描顯示數(shù)碼管的驅(qū)動方法和獨立顯示數(shù)碼管驅(qū)動方法不同，接下來我們一起來學(xué)習(xí)。

數(shù)碼管連接方式部分我們了解到數(shù)碼管常用的兩種連接方式，獨立顯示數(shù)碼管的原理及驅(qū)動方法我們在基礎(chǔ)數(shù)字電路實驗部分就已經(jīng)詳細(xì)學(xué)習(xí)了，本實驗我們來學(xué)習(xí)掃描顯示數(shù)碼管工作原理及驅(qū)動方法。

前面我們說8位數(shù)碼管通過掃描顯示方式連接需要16管腳，對于大部分控制器件來說依然有點多，所以我們需要一種串行通信控制并行輸出的驅(qū)動器，處理器通過串行接口（引腳占用少）驅(qū)動驅(qū)動器完成16或更多信號的控制，74HC595就是這么一款驅(qū)動器。通過3路串行輸入（兼容SPI協(xié)議）控制8路并行輸出，而且可以級聯(lián)使用。

我們知道數(shù)碼管分位共陰極和共陽極，我們底板上使用的就是8位共陰極數(shù)碼管，驅(qū)動數(shù)碼管顯示需要字庫，方便程序中通過數(shù)據(jù)索引對應(yīng)字庫，在基礎(chǔ)數(shù)字電路實驗部分我們已經(jīng)學(xué)習(xí)過。

7段共陰極數(shù)碼管字庫定義如下：

reg[6:0] seg [15:0]; 
always @(negedge rst_n) begin
	seg[0]	=	7'h3f;   // 0
	seg[1]	=	7'h06;   // 1
	seg[2]	=	7'h5b;   // 2
	seg[3]	=	7'h4f;   // 3
	seg[4]	=	7'h66;   // 4
	seg[5]	=	7'h6d;   // 5
	seg[6]	=	7'h7d;   // 6
	seg[7]	=	7'h07;   // 7
	seg[8]	=	7'h7f;   // 8
	seg[9]	=	7'h6f;   // 9
	seg[10]	=	7'h77;   // A
	seg[11]	=	7'h7c;   // b
	seg[12]	=	7'h39;   // C
	seg[13]	=	7'h5e;   // d
	seg[14]	=	7'h79;   // E
	seg[15]	=	7'h71;   // F
	end

數(shù)碼管顯示需要段選（a b c d e f g）輸出字庫數(shù)據(jù)，位選（dig）輸出選通信號，前面硬件電路連接部分看到8位數(shù)碼管的段選全部對應(yīng)連在了一起，好像不能同時顯示8個不同的數(shù)字，是的，我們理解的沒錯，想要掃描顯示數(shù)碼管工作需要采用分時掃描的方式驅(qū)動。怎么樣分時掃描？

• 首先我們考慮怎么樣讓第1個數(shù)碼管顯示數(shù)字1，FPGA控制數(shù)碼管段選端輸出1的字庫7'h06（G=0、F=0、E=0、D=0、C=1、B=1、A=0），同時控制數(shù)碼管位選端只選通第1個數(shù)碼管顯示（DIG1=0、DIG2~DIG8都為1）
• 然后如果我們有8秒的時間，第1秒時間內(nèi)控制第1個數(shù)碼管顯示數(shù)字1，第2秒時間內(nèi)控制第2個數(shù)碼管顯示數(shù)字2，依次類推，這樣我們就可以在8秒時間內(nèi)將8個不同數(shù)字分時顯示出來
• 最后我們將8秒的時間變成8毫秒，每個數(shù)碼管顯示1毫秒，這樣我們在1秒時間內(nèi)將8個數(shù)字顯示（掃描）125次，即刷新率為125次/秒，人眼睛有視覺暫留效應(yīng)，當(dāng)數(shù)碼管閃爍刷新頻率足夠高（例如125）時，我們看到的是8個數(shù)碼管同時顯示。

以上描述的就是掃描顯示的數(shù)碼管的工作原理及驅(qū)動方法

// dat_1[3:0]   //SEG1 顯示的數(shù)據(jù)輸入
......
// dat_8[3:0]   //SEG8 顯示的數(shù)據(jù)輸入
// dat_en[7:0]  //數(shù)碼管數(shù)據(jù)位顯示使能，[MSB~LSB]=[SEG1~SEG8]
// dot_en[7:0]  //數(shù)碼管小數(shù)點位顯示使能，[MSB~LSB]=[SEG1~SEG8]
// data[15:0]    //數(shù)碼管掃描控制數(shù)據(jù)，[15:8]為段選，[7:0]為位選
MAIN:begin
	cnt_main <= cnt_main + 1'b1;
	state <= WRITE;		//在配置完發(fā)給74HC595的數(shù)據(jù)同時跳轉(zhuǎn)至WRITE狀態(tài)，完成串行時序
	case(cnt_main)
		//對8位數(shù)碼管逐位掃描
		//data          [15:8]為段選，         [7:0]為位選
		3'd0: data <= {{dot_en[7],seg[dat_1]},dat_en[7]?8'hfe:8'hff};
		3'd1: data <= {{dot_en[6],seg[dat_2]},dat_en[6]?8'hfd:8'hff}; 
		3'd2: data <= {{dot_en[5],seg[dat_3]},dat_en[5]?8'hfb:8'hff}; 
		3'd3: data <= {{dot_en[4],seg[dat_4]},dat_en[4]?8'hf7:8'hff}; 
		3'd4: data <= {{dot_en[3],seg[dat_5]},dat_en[3]?8'hef:8'hff};
		3'd5: data <= {{dot_en[2],seg[dat_6]},dat_en[2]?8'hdf:8'hff}; 
		3'd6: data <= {{dot_en[1],seg[dat_7]},dat_en[1]?8'hbf:8'hff}; 
		3'd7: data <= {{dot_en[0],seg[dat_8]},dat_en[0]?8'h7f:8'hff}; 
		default: data <= {8'h00,8'hff};
	endcase
	end

如果不考慮74HC595驅(qū)動芯片，F(xiàn)PGA直接連接數(shù)碼管模塊的段選和位選信號，data作為輸出端口分配給段選和位選控制管腳，程序到這里差不多就OK了，然而為了節(jié)約IO管腳資源的占用，我們電路里有串轉(zhuǎn)并的驅(qū)動芯片74HC595，所以我們還需要增加程序設(shè)計，將data的數(shù)據(jù)通過串行的方式傳輸?shù)?4HC595芯片，然后74HC595芯片將會根據(jù)data的內(nèi)容控制數(shù)碼管模塊顯示。

74HC595是較為常用的串行轉(zhuǎn)并行的芯片，內(nèi)部集成了一個8位移位寄存器、一個存儲器和8個三態(tài)緩沖輸出。在最簡單的情況下我們只需要控制3根引腳輸入得到8根引腳并行輸出信號，而且可以級聯(lián)使用，我們使用3個I/O口控制兩個級聯(lián)的74HC595芯片，產(chǎn)生16路并行輸出，連接到掃描顯示的8位數(shù)碼管上。

不同的IC廠家都可以生產(chǎn)74HC595芯片，功能都是一樣的，然而不同廠家的芯片手冊對于管腳的命名會存在差異，管腳順序相同，大家可以對應(yīng)識別 上圖是本設(shè)計中74HC595芯片的硬件電路連接，參考74HC595數(shù)據(jù)手冊了解其具體用法，下圖中我們了解到OE#（G#）和MR#（SCLR#）信號分別為輸出使能（低電平輸出）和復(fù)位管腳（低電平復(fù)位），OE#（G#）我們接GND讓芯片輸出使能，MR#（SCLR#）我們接VCC讓芯片的移位寄存器永遠(yuǎn)不復(fù)位，如此FPGA只需要控制SHCP（SCK）、STCP（RCK）和DS（SER）即可。

根據(jù)74HC595內(nèi)部結(jié)構(gòu)及時序圖可以得知，SHCP（SCK）每個上升沿都會將DS（SER）的數(shù)據(jù)采樣到8位移位寄存器中，當(dāng)STCP（RCK）上升沿時，8位移位寄存器中的數(shù)據(jù)被所存到8位鎖存器中，同時對應(yīng)Q0~Q7管腳刷新對應(yīng)輸出。對于我們的硬件，我們首先通過SHCP（SCK）和DS（SER）配合將需要傳輸?shù)?6位數(shù)據(jù)輸出，然后控制STCP（RCK）產(chǎn)生上升沿，所以我們需要至少16個SH_CP（SCK）周期完成1次數(shù)碼管控制。

74HC595串行驅(qū)動 程序?qū)崿F(xiàn)如下：

//seg_rck     //74HC595的RCK管腳
//seg_sck     //74HC595的SCK管腳
//seg_din     //74HC595的SER管腳
WRITE:begin
	if(cnt_write >= 6'd33) cnt_write <= 1'b0;
	else cnt_write <= cnt_write + 1'b1;
	case(cnt_write)
		//74HC595是串行轉(zhuǎn)并行的芯片，3路輸入可產(chǎn)生8路輸出，而且可以級聯(lián)使用
		//74HC595的時序?qū)崿F(xiàn)，參考74HC595的芯片手冊
		6'd0:  begin seg_sck <= LOW; 
		seg_din <= data[15]; 
		end		//SCK下降沿時SER更新數(shù)據(jù)
		6'd1:  begin seg_sck <= HIGH; 
		end				//SCK上升沿時SER數(shù)據(jù)穩(wěn)定
		6'd2:  begin seg_sck <= LOW; 
		seg_din <= data[14]; end
		6'd3:  begin seg_sck <= HIGH; 
		end
		6'd4:  begin seg_sck <= LOW; 
		seg_din <= data[13]; 
		end
		6'd5:  begin seg_sck <= HIGH; 
		end
		6'd6:  begin seg_sck <= LOW; 
		seg_din <= data[12]; 
		end
		6'd7:  begin seg_sck <= HIGH; 
		end
		6'd8:  begin seg_sck <= LOW; 
		seg_din <= data[11]; end
		6'd9:  begin seg_sck <= HIGH; 
		end
		6'd10: begin seg_sck <= LOW; 
		seg_din <= data[10]; 
		end
		6'd11: begin seg_sck <= HIGH; 
		end
		6'd12: begin seg_sck <= LOW; 
		seg_din <= data[9]; end
		6'd13: begin seg_sck <= HIGH; 
		end
		6'd14: begin seg_sck <= LOW; 
		seg_din <= data[8]; 
		end
		6'd15: begin seg_sck <= HIGH; 
		end
		6'd16: begin seg_sck <= LOW; 
		seg_din <= data[7]; end
		6'd17: begin seg_sck <= HIGH; 
		end
		6'd18: begin seg_sck <= LOW; 
		seg_din <= data[6]; end
		6'd19: begin seg_sck <= HIGH; 
		end
		6'd20: begin seg_sck <= LOW; 
		seg_din <= data[5]; end
		6'd21: begin seg_sck <= HIGH; 
		end
		6'd22: begin seg_sck <= LOW; 
		seg_din <= data[4]; end
		6'd23: begin seg_sck <= HIGH; 
		end
		6'd24: begin seg_sck <= LOW; 
		seg_din <= data[3]; end
		6'd25: begin seg_sck <= HIGH; 
		end
		6'd26: begin seg_sck <= LOW; 
		seg_din <= data[2]; end
		6'd27: begin seg_sck <= HIGH; 
		end
		6'd28: begin seg_sck <= LOW; 
		seg_din <= data[1]; 
		end
		6'd29: begin seg_sck <= HIGH; 
		end
		6'd30: begin seg_sck <= LOW; 
		seg_din <= data[0]; 
		end
		6'd31: begin seg_sck <= HIGH; 
		end
		6'd32: begin seg_rck <= HIGH; 
		end			//當(dāng)16位數(shù)據(jù)傳送完成后RCK拉高，輸出生效
		6'd33: begin seg_rck <= LOW; 
		state <= MAIN; 
		end
		default: ;
	endcase
	end

如果我們設(shè)計一個狀態(tài)機，將數(shù)碼管掃描的程序和74HC595串行驅(qū)動程序分別做成兩個狀態(tài)MAIN和WRITE，控制數(shù)碼管掃描程序每次產(chǎn)生一組控制數(shù)據(jù)，執(zhí)行一次74HC595串行通信，就可以完成我們數(shù)碼管模塊電路的驅(qū)動設(shè)計了。

8位數(shù)碼管刷新1次需要8個數(shù)碼管各點亮1次，每個數(shù)碼管點亮1次需要16位數(shù)據(jù)，16位數(shù)據(jù)通過串行方式傳輸給74HC595需要至少16個SHCP（SCK）周期，按照我們前面說的數(shù)碼管刷新率達到125次/秒，掃描方式下每個數(shù)碼管會點亮1毫秒，數(shù)碼管點亮的時間應(yīng)該等于1次數(shù)碼管控制的時間，也就是16個SHCP（SCK）周期，所以我們可以控制74HC595的SHCP（SCK）時鐘周期計算： SHCP（SCK）周期 = 1ms / 16 = 62.5us 即是說，當(dāng) SHCP（SCK）周期小于62.5us，刷新率就應(yīng)該大于125次/秒（注：以上為估算的結(jié)果） 為了計算方便，我們就取SHCP（SCK）周期為50us，那么觸發(fā)74HC595串行驅(qū)動執(zhí)行的敏感變量周期應(yīng)該為25us，我們可以通過分頻產(chǎn)生周期為25us時鐘觸發(fā)完成以上所以操作。

時鐘分頻程序?qū)崿F(xiàn)如下：

//計數(shù)器對系統(tǒng)時鐘信號進行計數(shù)
reg [9:0] cnt = 1'b0;
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
	if(!rst_n) cnt <= 1'b0;
	else if(cnt>=(CNT_40KHz-1)) cnt <= 1'b0;
	else cnt <= cnt + 1'b1;
	end //根據(jù)計數(shù)器計數(shù)的周期產(chǎn)生分頻的脈沖信號
	reg clk_40khz = 1'b0; 
	always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
	if(!rst_n) clk_40khz <= 1'b0;
	else if(cnt<(CNT_40KHz>>1)) clk_40khz <= 1'b0;
	else clk_40khz <= 1'b1;
	end

按鍵消抖模塊我們前面基礎(chǔ)數(shù)字電路實驗中詳細(xì)介紹過，這里我們直接調(diào)用消抖模塊，記分器邏輯部分其實就是對按鍵按動次數(shù)計數(shù)，輸出0~999之間的BCD碼制數(shù)據(jù)，這里也不再贅述，最后例化數(shù)碼管模塊將兩隊的比分?jǐn)?shù)據(jù)顯示出來。最后顯示的數(shù)據(jù)為000~999，本實驗例程中為了顯示最小有效數(shù)據(jù)位，增加了將最高位為0的數(shù)據(jù)位不顯示的設(shè)計，例如當(dāng)分?jǐn)?shù)為5分時，數(shù)碼管本來會顯示005，現(xiàn)在控制高兩位的00不顯示，只顯示最低位5。

顯示控制程序?qū)崿F(xiàn)如下：

wire	[7:0]	dat_en;		//控制數(shù)碼管點亮
assign	dat_en[7] = 1'b0;
assign	dat_en[6] = red_seg[11:8]? 1'b1:1'b0;
assign	dat_en[5] = red_seg[11:4]? 1'b1:1'b0;
assign	dat_en[4] = 1'b1; 
assign	dat_en[3] = 1'b0;
assign	dat_en[2] = blue_seg[11:8]? 1'b1:1'b0;
assign	dat_en[1] = blue_seg[11:4]? 1'b1:1'b0;
assign	dat_en[0] = 1'b1;

數(shù)碼管顯示模塊例化 程序?qū)崿F(xiàn)如下：

//segment_scan display module
Segment_scan u4
(
.clk					(clk			),	//系統(tǒng)時鐘 12MHz
.rst_n					(rst_n			),	//系統(tǒng)復(fù)位 低有效
.dat_1					(0				),	//SEG1 顯示的數(shù)據(jù)輸入
.dat_2					(red_seg[11:8]	),	//SEG2 顯示的數(shù)據(jù)輸入
.dat_3					(red_seg[7:4]	),	//SEG3 顯示的數(shù)據(jù)輸入
.dat_4					(red_seg[3:0]	),	//SEG4 顯示的數(shù)據(jù)輸入
.dat_5					(0				),	//SEG5 顯示的數(shù)據(jù)輸入
.dat_6					(blue_seg[11:8]	),	//SEG6 顯示的數(shù)據(jù)輸入
.dat_7					(blue_seg[7:4]	),	//SEG7 顯示的數(shù)據(jù)輸入
.dat_8					(blue_seg[3:0]	),	//SEG8 顯示的數(shù)據(jù)輸入
.dat_en					(dat_en			),	//數(shù)碼管數(shù)據(jù)位顯示使能，[MSB~LSB]=[SEG1~SEG8]
.dot_en					(8'b0001_0001	),	//數(shù)碼管小數(shù)點位顯示使能，[MSB~LSB]=[SEG1~SEG8]
.seg_rck				(seg_rck		),	//74HC595的RCK管腳
.seg_sck				(seg_sck		),	//74HC595的SCK管腳
.seg_din				(seg_din		)	//74HC595的SER管腳);

綜合后的設(shè)計框圖如下：

1. 雙擊打開Quartus Prime工具軟件；
2. 新建工程：File → New Project Wizard（工程命名，工程目錄選擇，設(shè)備型號選擇，EDA工具選擇）；
3. 新建文件：File → New → Verilog HDL File，鍵入設(shè)計代碼并保存；
4. 設(shè)計綜合：雙擊Tasks窗口頁面下的Analysis & Synthesis對代碼進行綜合；
5. 管腳約束：Assignments → Assignment Editor，根據(jù)項目需求分配管腳；
6. 設(shè)計編譯：雙擊Tasks窗口頁面下的Compile Design對設(shè)計進行整體編譯并生成配置文件；
7. 程序燒錄：點擊Tools → Programmer打開配置工具，Program進行下載；
8. 觀察設(shè)計運行結(jié)果。

將程序加載到FPGA開發(fā)平臺，底板數(shù)碼管左邊4位為紅隊比分，右邊4位為藍(lán)隊比分，初始都為0分，核心板K3按鍵為紅隊加分按鍵，核心板K4按鍵為藍(lán)隊加分按鍵，按動K3、K4按鍵，觀察紅隊和藍(lán)隊比分變化。