数码管的显示原理及其实现方式

在数字FPGA电路中，作为入门级别的外设除LED灯外，数码管算是使用频率最多、应用范围最广的一个核心集成外设了，因此学习数码管的使用非常有必要，下面一起来看看数码管的显示原理及其实现方式吧！

1. 数码管显示原理

数码管是电子设计中常用的外设设备之一，用来显示一些数据数值。常见的数码管有单个的以及多个共用一起的，那么首先由最简单的单个数码管的原理介绍，方便大家的理解。如下图a所示：

图a单个数码管内部结构

这就是一个常见的单个数码管内部的结构造型，可以理解成7个长方形的LED小灯组成，由这些小灯的亮灭状况来组成数码管显示的不同数值，下面我以手绘图展示几个数字的情况，大家应该能更清楚直观的明白其工作原理，如下图b所示：

图b显示数字024

这里是三个单独的数码管，分别显示数字0、2、4，所以数码管的原理可以简单的理解为点亮小灯的组合排列即可（具体内部电路的可以参考后面的附录，因为其不属于数字电路的内容，故放在附录中），明白了数码管的原理那么再来实现这部分的操作就很简单啦，下面就一起具体看看是如何实现的吧。

2. 数码管显示部分的程序实现

在日常生活中灯的亮灭是通过开关来进行控制，开可以理解为一个高电平的指令，关则相反，而在数字电路中，逻辑电平高低分别用1和0来进行表示，因此要实现点亮数码管的功能，也就可以通过0和1来进行控制a~g这七个小灯，比如让数码管显示1那么只需要b、c这两个小灯点亮就可以了，那么下面就来实现数码管显示部分的程序，使用的Verilog语言：

module    one_digit(
    input    [3:0]    data,
    output    [7:0]    seg
);

reg        [7:0]    seg;

always @(data) begin
    case(data)
        4'h0:seg = 8'b11000000;
        4'h1:seg = 8'b11111001;
        4'h2:seg = 8'b10100100;
        4'h3:seg = 8'b10110000;
        4'h5:seg = 8'b10010010;
        4'h4:seg = 8'b10011001;
        4'h6:seg = 8'b10000010;
        4'h7:seg = 8'b11111000;
        4'h8:seg = 8'b10000000;
        4'h9:seg = 8'b10010000;
        4'ha:seg = 8'b10001000;
        4'hb:seg = 8'b10000011;
        4'hc:seg = 8'b11000110;
        4'hd:seg = 8'b10100001;
        4'he:seg = 8'b10000110;
        4'hf:seg = 8'b10111111;
    endcase
end

endmodule

以上就是基于的是LUT查找表的原理所写的单个数码管显示的程序。

3. 数码管程序的验证

当写完一部分语法验证没有错误、编译能够成功的程序后，下面要做的就是核心的功能验证，那么对于上面的数码管程序如何进行验证呢？

对于FPGA设计的验证来说，常见的验证方式有两种：a.仿真验证b.下板验证，当身边没有合适硬件板卡的时候，仿真验证往往是不错的选择，这个时候借助一些EDA工具，可以方便的验证好设计的程序逻辑功能是否正确，Modelsim就是这样一款便于仿真验证的工具，当然进行仿真验证的时候也需要进行激励的输入（编写一部分代码），下面对这个数码管的程序使用仿真验证的方式看看效果吧，如下图c所示：

图c数码管仿真结果

可以从仿真波形的高低判断出对应的数码管内部LED小灯的亮灭情况，由此排列组合推断出实际的数码管显示情况，以此作为仿真验证判断的依据，下面给出仿真验证的程序：

`timescale      1ns/1ns

 

module TB_one_dight;

 

reg         [3:0]data;

wire[7:0]seg         ;

 

one_digituut(

       data,

       seg

);    

 

initial begin

       data=     0;

       #100;

       repeat(16)begin

              data=     data+     1;

              #100;

       end

       $stop;

end

 

endmodule

至于实物验证的部分的话，建议结合相关的硬件板块配套例程来进行学习验证，这里就不做板卡推荐了，FPGA板卡以实物配套为文档教程为准。