引言：本文介紹數碼管顯示譯碼基本工作原理及Verilog HDL驅動代碼編寫，進一步熟練掌握FPGA入門基礎知識。

1.概述

數碼管是顯示屏其中一類，通過對其不同的管腳輸入相對的電流，會使其發亮，從而顯示出數字能夠顯示 時間、日期、溫度等所有可用數字表示的參數。

圖1：數碼管

由于它的價格便宜，使用簡單，在電器特別是家電領域應用極為廣泛，空調、熱水器、冰箱等等。絕大多數熱水器用的都是數碼管，其他家電也用液晶屏與熒光屏。

2. 硬件原理

如圖2所示，數碼管按段數分為七段數碼管和八段數碼管，八段數碼管比七段數碼管多一個發光二極管單元（多一個小數點顯示）。按能顯示多少個“8”可分為1 位、2 位、4 位等等數碼管。

如圖2所示，按發光二極管單元連接方式分為共陽極數碼管和共陰極數碼管。

圖2：數碼管共陰極（左側）和共陽極（右側）接法

共陰數碼管是指將所有發光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數碼管，共陰數碼管在應用時應將公共極 COM接到地線 GND 上，當某一字段發光二極管的陽極為高電平時，相應字段就點亮，當某一字段的陽極為低電平時，相應字段就不亮。

共陽數碼管是指將所有發光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數碼管，共陽數碼管在應用時應將公共極COM 接到+3.3V（高電平），當某一字段發光二極管的陰極為低電平時，相應字段就點亮，當某一字段的陰極為高電平時，相應字段就不亮。

圖3：4位數碼管共陽極接法

如圖3所示，4位數碼管的每段全部連接在一起，如果想動態控制每位數碼管，就不能將四位數碼管的COM端連接在一起，必須分別控制每位數碼管的COM端，即增加位選擇控制信號。8位數碼管共陽極連接原理圖如圖4所示。

圖4：8位數碼管原理圖

如圖4所示，8位數碼管通過Sel[7..0]8個數據IO實現位選擇，通過Disp[7..0]8個數據IO實現段選擇。由于FPGA IO口驅動電流能力弱，增加三極管可提高驅動能力。

如圖4所示，基極為低電平，三極管導通，數碼管被選中，被選中的數碼管相應的段發光顯示。由于4位數碼管的的數據端（ABCDEFG）是公用的，而每一位的數碼管的公共陽極（COM）是單獨，若某一位數碼管顯示字符，則這一位的公共陽極就要連接到低電平。

3. 軟件實現

數碼管顯示有靜態顯示和動態顯示兩種方式。

在靜態顯示中，只考慮段選信號。在不同的時刻，各個位選信號保持不變，并根據真值表，選擇要顯示的數字或者字母。由于多位數碼管段信號是連在一起的，所以這種情況下每位數碼管顯示的內容是想通過的。要想每位數碼管顯示不同內容，只能采用動態顯示方式。

在動態顯示中，需要將位選信號考慮進來。在不同的時刻，各個位的位選信號隨時改變，并根據真值表，選擇顯示不同的數字或者字母。

3.1 數碼管靜態顯示

根據圖4硬件原理圖，數碼管位選擇信號為低電平“0”時，同時數碼管段為低電平“0”時，點亮數碼管內部LED發光二極管。

數碼管靜態顯示代碼如下所示。

/*************************************************
數碼管靜態顯示按鍵計數值。
*************************************************/
//位選信號     
assign segma_sel_o = 8'h00; //使能所有數碼管位   
//段選信號,關閉DP點顯示  
always @(posedge sys_clk_i or negedge rst_n_i) begin       
  if(!rst_n_i) begin  
      segma_disp_o  <= 8'b0000001_1;       
    end
  else begin
??????case(cnt)?//按鍵計數值??
        4'd0: segma_disp_o  <= 8'b0000001_1; //"0"  
        4'd1: segma_disp_o  <= 8'b1001111_1; //"1"  
        4'd2: segma_disp_o  <= 8'b0010010_1; //"2"
        4'd3: segma_disp_o  <= 8'b0000110_1; //"3"
        4'd4: segma_disp_o  <= 8'b1001100_1; //"4"
        4'd5: segma_disp_o  <= 8'b0100100_1; //"5"
        4'd6: segma_disp_o  <= 8'b0100000_1; //"6"
        4'd7: segma_disp_o  <= 8'b0001111_1; //"7"
        4'd8: segma_disp_o  <= 8'b0000000_1; //"8"
        4'd9: segma_disp_o  <= 8'b0000100_1; //"9"
        4'd10: segma_disp_o <= 8'b0001000_1; //"A"
        4'd11: segma_disp_o <= 8'b1100000_1; //"B"
        4'd12: segma_disp_o <= 8'b0110001_1; //"C"
        4'd13: segma_disp_o <= 8'b1000010_1; //"D"
        4'd14: segma_disp_o <= 8'b0110000_1; //"E"
        4'd15: segma_disp_o <= 8'b0111000_1; //"F"        
      endcase   
    end
end

測試結果如下：

3.2 數碼管動態顯示

數碼管動態動態掃描顯示，實際上是利用了兩個現象：人眼的視覺暫留特性和數碼管的余暉效應。人眼在觀察景物時，光信號傳入到大腦神經需要經過一段時間，光的作用結束之后我們的視覺影像并不會立刻的消失，這種殘留的視覺被稱為后像，這種現象就被稱為視覺暫留；數碼管的余暉效應是什么意思呢？當我們停止向發光二極管供電時，發光二極管的亮度仍能夠維持一段時間。我們的動態掃描利用這兩個特性就實現了數碼管的動態顯示。

（1）數碼管位掃描控制代碼：編寫計數器cnt_scanf，周期性產生數碼管選擇信號seg_wei_num，根據seg_wei_num解碼對應的需要使能數碼管位segma_wei_o。

// 計數器，控制數碼管位
reg [23:0] cnt_scanf;
always @(posedge clk_i or negedge rst_n_i) begin
if(!rst_n_i) begin
    cnt_scanf <= 24'd0;
  end
else begin 
    if(cnt_scanf == timer_scanf_i) 
      cnt_scanf <= 24'd0;
    else
      cnt_scanf <= cnt_scanf + 24'd1;
  end
end


//數碼管掃描序號
reg [2:0] segma_wei_num; 
always @(posedge clk_i or negedge rst_n_i) begin
if(!rst_n_i) begin
    segma_wei_num <= 3'd0;
  end
else begin
    if(cnt_scanf == timer_scanf_i)
      segma_wei_num <= segma_wei_num + 3'd1;
    else
      segma_wei_num <= segma_wei_num;
  end
end


//解碼選中的數碼管
always @(posedge clk_i or negedge rst_n_i) begin
if(!rst_n_i) begin
    segma_wei_o <= 8'b1111_1111;
  end
else begin
    case(segma_wei_num)
      3'd0: segma_wei_o <= 8'b1110_1111; //選中第1個數碼管
      3'd1: segma_wei_o <= 8'b1101_1111; //選中第2個數碼管
      3'd2: segma_wei_o <= 8'b1011_1111; //選中第3個數碼管
      3'd3: segma_wei_o <= 8'b0111_1111; //選中第4個數碼管    
      3'd4: segma_wei_o <= 8'b1111_1110; //選中第5個數碼管
      3'd5: segma_wei_o <= 8'b1111_1101; //選中第6個數碼管
      3'd6: segma_wei_o <= 8'b1111_1011; //選中第7個數碼管
      3'd7: segma_wei_o <= 8'b1111_0111; //選中第8個數碼管
       default: segma_wei_o <= 8'b1111_1111;  
    endcase
  end
end

（2）數碼管段顯示控制代碼：根據當前使能的數碼管位segma_wei_num，獲取當前數碼管位需要顯示的數據信息led_duan，然后根據led_duan數據解碼映射到需要顯示的每段發光二極管，數碼管DP段單獨控制。

//獲取當前數碼管位DP段
always @(*) begin
  case(segma_wei_num)
    3'd0: segma_duan_o[0] <= i_led0_data[4]; // 第1個數碼管DP段數據
    3'd1: segma_duan_o[0] <= i_led1_data[4]; // 第2個數碼管DP段數據    
    3'd2: segma_duan_o[0] <= i_led2_data[4]; // 第3個數碼管DP段數據
    3'd3: segma_duan_o[0] <= i_led3_data[4]; // 第4個數碼管DP段數據    
    3'd4: segma_duan_o[0] <= i_led4_data[4]; // 第5個數碼管DP段數據
    3'd5: segma_duan_o[0] <= i_led5_data[4]; // 第6個數碼管DP段數據    
    3'd6: segma_duan_o[0] <= i_led6_data[4]; // 第7個數碼管DP段數據
    3'd7: segma_duan_o[0] <= i_led7_data[4]; // 第8個數碼管DP段數據    
  endcase
end


//獲取當前數碼管位其他段數據
reg [3:0] led_duan;
always @(*) begin
  case(segma_wei_num)
    3'd0: led_duan <= i_led0_data[3:0]; // 第1個數碼管其他段數據
    3'd1: led_duan <= i_led1_data[3:0]; // 第2個數碼管其他段數據    
    3'd2: led_duan <= i_led2_data[3:0]; // 第3個數碼管其他段數據
    3'd3: led_duan <= i_led3_data[3:0]; // 第4個數碼管其他段數據    
    3'd4: led_duan <= i_led4_data[3:0]; // 第5個數碼管其他段數據
    3'd5: led_duan <= i_led5_data[3:0]; // 第6個數碼管其他段數據    
    3'd6: led_duan <= i_led6_data[3:0]; // 第7個數碼管其他段數據
    3'd7: led_duan <= i_led7_data[3:0]; // 第8個數碼管其他段數據    
  endcase
end


//解碼數碼管段數據
always @(*) begin
  case(led_duan)
      4'd0: segma_duan_o[7:1]  <= 7'b0000001; //"0" 
      4'd1: segma_duan_o[7:1]  <= 7'b1001111; //"1"
      4'd2: segma_duan_o[7:1]  <= 7'b0010010; //"2"
      4'd3: segma_duan_o[7:1]  <= 7'b0000110; //"3"
      4'd4: segma_duan_o[7:1]  <= 7'b1001100; //"4"
      4'd5: segma_duan_o[7:1]  <= 7'b0100100; //"5"
      4'd6: segma_duan_o[7:1]  <= 7'b0100000; //"6"
      4'd7: segma_duan_o[7:1]  <= 7'b0001111; //"7"
      4'd8: segma_duan_o[7:1]  <= 7'b0000000; //"8"
      4'd9: segma_duan_o[7:1]  <= 7'b0000100; //"9"
      4'd10: segma_duan_o[7:1] <= 7'b0001000; //"A"
      4'd11: segma_duan_o[7:1] <= 7'b1100000; //"B"
      4'd12: segma_duan_o[7:1] <= 7'b0110001; //"C"
      4'd13: segma_duan_o[7:1] <= 7'b1000010; //"D"
      4'd14: segma_duan_o[7:1] <= 7'b0110000; //"E"
      4'd15: segma_duan_o[7:1] <= 7'b0111000; //"F"    
  endcase
end