數(shù)碼管掃描顯示控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)-北京郵電數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、北京郵電大學(xué)實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告實(shí)驗(yàn)名稱：數(shù)碼管掃描顯示控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 學(xué) 院： 信息與通信工程學(xué)院 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 日 期： 2021年5月 索 引 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc263168746 一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?PAGEREF _Toc263168746 h 3 HYPERLINK l _Toc263168747 二實(shí)驗(yàn)所用儀器及元器件 PAGEREF _Toc263168747 h 3 HYPERLINK l _Toc263168748 三實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求 PAGEREF _Toc263168748 h 3 HYPERLINK l _Toc26316

2、8749 四實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路及過程 PAGEREF _Toc263168749 h 4 HYPERLINK l _Toc263168750 1.實(shí)驗(yàn)原理 PAGEREF _Toc263168750 h 4 HYPERLINK l _Toc263168751 2.設(shè)計(jì)思路 PAGEREF _Toc263168751 h 4 HYPERLINK l _Toc263168752 代碼 PAGEREF _Toc263168752 h 5 HYPERLINK l _Toc263168753 A.實(shí)驗(yàn)任務(wù)1 PAGEREF _Toc263168753 h 5 HYPERLINK l _Toc263168754

3、 B.實(shí)驗(yàn)任務(wù)2-I PAGEREF _Toc263168754 h 8 HYPERLINK l _Toc263168755 C.實(shí)驗(yàn)任務(wù)2-II PAGEREF _Toc263168755 h 11 HYPERLINK l _Toc263168756 五仿真波形及分析 PAGEREF _Toc263168756 h 12 HYPERLINK l _Toc263168757 1.仿真波形 PAGEREF _Toc263168757 h 12 HYPERLINK l _Toc263168758 實(shí)驗(yàn)任務(wù)1 PAGEREF _Toc263168758 h 12 HYPERLINK l _Toc26

4、3168759 實(shí)驗(yàn)任務(wù)2-I PAGEREF _Toc263168759 h 13 HYPERLINK l _Toc263168760 3.波形分析 PAGEREF _Toc263168760 h 17 HYPERLINK l _Toc263168761 實(shí)驗(yàn)任務(wù)1 PAGEREF _Toc263168761 h 17 HYPERLINK l _Toc263168762 實(shí)驗(yàn)任務(wù)2-I PAGEREF _Toc263168762 h 17 HYPERLINK l _Toc263168763 六故障及問題分析 PAGEREF _Toc263168763 h 18 HYPERLINK l _To

5、c263168764 1.頻率設(shè)置問題 PAGEREF _Toc263168764 h 18 HYPERLINK l _Toc263168765 2.觸發(fā)問題 PAGEREF _Toc263168765 h 18 HYPERLINK l _Toc263168766 3.邏輯實(shí)現(xiàn)問題 PAGEREF _Toc263168766 h 18 HYPERLINK l _Toc263168767 七本實(shí)驗(yàn)總結(jié)與結(jié)論 PAGEREF _Toc263168767 h 19 HYPERLINK l _Toc263168768 八學(xué)期總結(jié) PAGEREF _Toc263168768 h 19 HYPERLINK

6、 l _Toc263168769 九參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc263168769 h 19一實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆誚HDL語言的語法標(biāo)準(zhǔn)，掌握時(shí)序電路描述方法掌握多個(gè)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示的原理及設(shè)計(jì)方法二實(shí)驗(yàn)所用儀器及元器件計(jì)算機(jī)直流穩(wěn)壓電源數(shù)字系統(tǒng)與邏輯設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)開發(fā)板三實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求用VHDL語言設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)六個(gè)數(shù)碼管串行掃描電路，要求同時(shí)顯示0，1，2，3，4，5這六個(gè)不同的數(shù)字圖形到六個(gè)數(shù)碼管上，仿真下載驗(yàn)證其功能。用VHDL語言設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)六個(gè)數(shù)碼管滾動(dòng)顯示電路。(選作)循環(huán)滾動(dòng)，始終點(diǎn)亮6個(gè)數(shù)碼管，左出右進(jìn)。狀態(tài)為：012345123450234501345012450123501234012

7、345向左滾動(dòng)，用全滅的數(shù)碼管充右邊，直至全部變滅，然后再依次從右邊一個(gè)一個(gè)地點(diǎn)亮。狀態(tài)為：01234512345X2345XX345XXX45XXXX5XXXXXXXXXXXXXXXX0XXXX01XXX012XX0123X01234012345，其中X表示數(shù)碼管不顯示。四實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路及過程為使得輸入控制電路簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，采用動(dòng)態(tài)掃描的方式實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。動(dòng)態(tài)掃描顯示需要由兩組信號(hào)來控制：一組是字段輸出口輸出的字形代碼，用來控制顯示的字形，稱為段碼；另一組是位輸出口輸出的控制信號(hào)，用來選擇第幾位數(shù)碼管工作，稱為位碼。各位數(shù)碼管的段線并聯(lián)，段碼的輸出對(duì)各位數(shù)碼管來說都是相同的。因此在同一時(shí)刻如

8、果各位數(shù)碼管的位選線都處于選通狀態(tài)的話，6位數(shù)碼管將顯示相同的字符。假設(shè)要各位數(shù)碼管能夠顯示出與本位相應(yīng)的字符，就必須采用掃描顯示方式，即在某一時(shí)刻，只讓某一位的位選線處于導(dǎo)通狀態(tài)，而其它各位的位選線處于關(guān)閉狀態(tài)。同時(shí)，段線上輸出相應(yīng)位要顯示字符的字型碼。這樣在同一時(shí)刻，只有選通的那一位顯示出字符，而其它各位那么是熄滅的，如此循環(huán)下去，就可以使各位數(shù)碼管顯示出將要顯示的字符。雖然這些字符是在不同時(shí)刻出現(xiàn)的，而且同一時(shí)刻，只有一位顯示，其它各位熄滅，但由于數(shù)碼管具有余輝特性和人眼有視覺暫留現(xiàn)象，只要每位數(shù)碼管顯示間隔足夠短，給人眼的視覺印象就會(huì)是連續(xù)穩(wěn)定地顯示。總之，多個(gè)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示，是將

9、所有數(shù)碼管的相同段并聯(lián)在一起，通過選通信號(hào)分時(shí)控制各個(gè)數(shù)碼管的公共端，循環(huán)一次點(diǎn)亮多個(gè)數(shù)碼管，并利用人眼的視覺暫留現(xiàn)象，只要掃描的頻率大于50Hz，將看不到閃爍現(xiàn)象。6個(gè)數(shù)碼管那么需要50*6=300Hz以上才能看到持續(xù)穩(wěn)定點(diǎn)亮的現(xiàn)象。2.設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)時(shí)序電路，輸入時(shí)鐘經(jīng)過一個(gè)分頻器，產(chǎn)生2kHz的掃描信號(hào)作為時(shí)鐘，驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器工作。選用模值為6的計(jì)數(shù)器，通過一個(gè)3線至6線譯碼器，產(chǎn)生段碼，依次控制6個(gè)LED的亮滅，使得某一時(shí)刻有且僅有一個(gè)LED點(diǎn)亮，同時(shí)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的，將點(diǎn)亮的LED數(shù)碼管賦值顯示為相應(yīng)的數(shù)碼予以顯示。由于掃描頻率較高，6位LED數(shù)碼管序列將顯示持續(xù)穩(wěn)定的0至5的數(shù)碼。3.VHDL

10、代碼A.實(shí)驗(yàn)任務(wù)1實(shí)現(xiàn)代碼-2kHz 分頻器library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity div2k isport(clk_in : in std_logic; clk_out : out std_logic);end;architecture a of div2k issignal cnt : integer range 0 to 999;signal clk_tmp : std_logic;beginprocess(clk_in)beginif (clk_inevent and

11、 clk_in=1) thenif cnt=999 thencnt=0; clk_tmp= not clk_tmp;elsecnt=cnt+1;end if;end if;end process;clk_outCLK,clk_out=clk_tmp);P1:process(CNT6) BEGIN CASE CNT6 IS -3線至6線譯碼器 WHEN 0 = BT = 011111 ; A BT = 101111 ; A BT = 110111 ; A BT = 111011 ; A BT = 111101 ; A BT = 111110 ; A NULL ; END CASE ; END P

12、ROCESS P1;P2:process(clk_tmp) BEGIN IF clk_tmpEVENT AND clk_tmp = 1 THEN -實(shí)現(xiàn)模6計(jì)數(shù)器CNT6 = CNT6 + 1; if CNT6 = 5 thenCNT6 SG SG SG SG SG SG NULL ; END CASE ; END PROCESS P3; END arc;代碼說明通過分頻器輸入產(chǎn)生選通脈沖，控制0至5號(hào)LED數(shù)碼管依次亮滅，同時(shí)使用數(shù)碼顯示信號(hào)使得數(shù)碼管顯示相應(yīng)數(shù)碼。實(shí)現(xiàn)時(shí)通過連接引入分頻信號(hào)，通過數(shù)據(jù)選擇器選擇數(shù)碼管。計(jì)數(shù)器信號(hào)觸發(fā)數(shù)據(jù)選擇器，賦值給位碼觸發(fā)數(shù)碼管顯示數(shù)碼。最終實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)掃描顯

13、示數(shù)字序列。B.實(shí)驗(yàn)任務(wù)2-I實(shí)現(xiàn)代碼LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY scan_led_2 IS PORT ( CLK : IN STD_LOGIC; SG : OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0); BT : OUT STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWNTO 0) ); END;ARCHITECTURE arc OF scan_led_2 IScomponent div2kport(clk_in: in std_logic; c

14、lk_out: out std_logic);end component; SIGNAL CNT6 : INTEGER RANGE 0 TO 6; SIGNAL A : INTEGER RANGE 0 TO 5;SIGNAL COUNT : INTEGER RANGE 0 TO 5001 := 0;SIGNAl FLAG : INTEGER RANGE 0 TO 7 := 0; SIGNAl FLAG_A : INTEGER RANGE 0 TO 5;SIGNAL clk_tmp : STD_LOGIC;BEGINu1:div2k port map(clk_in=CLK,clk_out=clk

15、_tmp);P1:process(CNT6) BEGIN CASE CNT6 IS WHEN 0 = BT = 011111 ; A BT = 101111 ; A BT = 110111 ; A BT = 111011 ; A BT = 111101 ; A BT = 111110 ; A NULL ; END CASE ; END PROCESS P1;P2:process(clk_tmp) BEGIN IF clk_tmpEVENT AND clk_tmp = 1 THEN -實(shí)現(xiàn)模6計(jì)數(shù)器CNT6 = CNT6 + 1; if CNT6 = 5 then CNT6 = 0;end if

16、;IF (FLAG = 6) THEN-設(shè)置標(biāo)志 FLAG = 0; END IF;IF COUNT = 5000 THEN-相當(dāng)于另一個(gè)時(shí)鐘COUNT = 0;-計(jì)數(shù)周期為5000FLAG = FLAG + 1; -當(dāng)記滿5000時(shí)左移動(dòng)一位 ELSECOUNT = COUNT + 1;-不滿5000繼續(xù)計(jì)數(shù)END IF; END IF; END PROCESS P2;P3:process(A)BEGIN FLAG_A SG SG SG SG SG SG NULL ; END CASE ; END PROCESS P3; END arc;代碼說明代碼主體和實(shí)驗(yàn)任務(wù)1中一致，根本思想也一致。為

17、實(shí)現(xiàn)移位，關(guān)鍵改動(dòng)為新增一個(gè)計(jì)數(shù)器，技術(shù)周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于掃描周期，這樣，在一個(gè)大的計(jì)數(shù)周期內(nèi)，對(duì)于要顯示的6位數(shù)碼進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描和實(shí)驗(yàn)任務(wù)1中相同，顯示出6種移位狀態(tài)中的一種；在下一個(gè)大的周期內(nèi)，利用FLAG標(biāo)志，并使用求余運(yùn)算將顯示位的數(shù)碼移位，比方，大的計(jì)數(shù)周期為0時(shí)，F(xiàn)LAG為0，顯示“012345六位數(shù)碼，大的周期為1時(shí)，F(xiàn)ALG為1，此時(shí)各位求余即FLAG_A求余對(duì)應(yīng)的數(shù)碼為123450，顯示的數(shù)碼也就為“123450。以此類推，實(shí)現(xiàn)循環(huán)移位。C.實(shí)驗(yàn)任務(wù)2-II實(shí)現(xiàn)代碼P2:process(clk_tmp) BEGIN IF clk_tmpEVENT AND clk_tmp = 1 TH

18、EN CNT6 = CNT6 + 1; -模6計(jì)數(shù)器if CNT6 = 6 thenCNT6 = 0;end if;IF (FLAG = 7) THEN FLAG_SC = 1; -序列反移位標(biāo)志END IF;IF (FLAG = 0) THEN FLAG_SC = 0; -序列左移位標(biāo)志END IF;IF COUNT = 5000 THENCOUNT = 0;IF FLAG_SC = 1 THENFLAG = FLAG - 1 ; -記滿大周期序列反移位ELSEFLAG = FLAG + 1 ; -記滿大周期序列左移位END IF;ELSECOUNT = COUNT + 1;END IF;I

19、F FLAG_SC = 1 THENFLAG_A = A - FLAG ;-序列反移位ELSEFLAG_A = A + FLAG ;-序列左移位END IF; END IF; END PROCESS P2;代碼說明此處為關(guān)鍵局部代碼，其余代碼同實(shí)驗(yàn)任務(wù)2-I中根本相同。實(shí)現(xiàn)根本思路為：先左移位，方法同實(shí)驗(yàn)任務(wù)2-I，進(jìn)行加運(yùn)算，稍有不同為左移出的數(shù)碼不從右移入，因而沒有取余運(yùn)算，大于6的數(shù)碼狀態(tài)為滅燈，實(shí)現(xiàn)了左移且右端數(shù)碼依次熄滅。待全部燈熄滅此時(shí)FLAG已經(jīng)加到了7后數(shù)碼依次從右移入，此時(shí)進(jìn)行減運(yùn)算加減運(yùn)算由FLAG_SC控制，右端數(shù)碼最先到達(dá)0，顯示數(shù)碼“0，然后是右端第二位到達(dá)0，顯示數(shù)

20、碼“0，右端第一位為1，顯示數(shù)碼“1，其余燈滅，以此類推，實(shí)現(xiàn)了右端逐位移入數(shù)碼的功能。五仿真波形及分析實(shí)驗(yàn)任務(wù)1實(shí)驗(yàn)任務(wù)2-I3.波形分析實(shí)驗(yàn)任務(wù)1由波形可見，隨著時(shí)鐘模六計(jì)數(shù)的不斷重復(fù)，0至5號(hào)LED數(shù)碼管依次翻開，其余管熄滅，同時(shí)，數(shù)碼管顯示數(shù)字從0至5依次出現(xiàn)，兩者保持同步，即n號(hào)管亮?xí)r顯示的數(shù)碼為n。這樣每計(jì)數(shù)6次循環(huán)依次，可知仿真結(jié)果正確。當(dāng)掃描速度很快時(shí)，人眼將能看到持續(xù)穩(wěn)定的0至5號(hào)數(shù)碼顯示。在實(shí)驗(yàn)室實(shí)際測(cè)試時(shí)，下載到電路板測(cè)試成功，完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。實(shí)驗(yàn)任務(wù)2-I為了使仿真結(jié)果便于打印，這里修改了COUNT值為6，也即在一個(gè)大的計(jì)數(shù)周期內(nèi)，只掃描一遍實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)需要?jiǎng)討B(tài)掃描屢次，如

21、同實(shí)驗(yàn)任務(wù)1，產(chǎn)生穩(wěn)定顯示，只需把COUNT值加大即可。由波形可見，隨著大計(jì)數(shù)周期的增加，依次產(chǎn)生012345123450234501345012450123501234012345 ，這樣便實(shí)現(xiàn)了循環(huán)移位。實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)時(shí)，加大COUNT值為5000，觀察到穩(wěn)定持續(xù)的周期循環(huán)移位的數(shù)碼顯示，完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。六故障及問題分析1.頻率設(shè)置問題當(dāng)頻率設(shè)置過高時(shí)，計(jì)數(shù)周期將大大增加，每個(gè)周期內(nèi)的掃描次數(shù)也增加，但考慮到人眼的分辨能力，頻率只需大于300Hz即可，過大將增大系統(tǒng)開銷，故采用2kHz分頻器。2.觸發(fā)問題初始編寫代碼時(shí)，誤將COUNT計(jì)數(shù)器放入p3進(jìn)程中，導(dǎo)致觸發(fā)邏輯錯(cuò)誤，大周期計(jì)數(shù)不工作，顯示

22、數(shù)碼不能移位。后將模6和模5000兩個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)放入p2進(jìn)程，統(tǒng)一使用一個(gè)時(shí)鐘邊沿觸發(fā)，這樣符合了同步時(shí)序電路設(shè)計(jì)的根本思想，觸發(fā)正確，顯示數(shù)碼才正常移位。3.邏輯實(shí)現(xiàn)問題實(shí)驗(yàn)任務(wù)2-II中，為節(jié)省硬件開銷，擯棄使用過多CASE語句產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)選擇器的窮舉法，采用一個(gè)加法器和一個(gè)減法器代替，小周期計(jì)數(shù)器控制每位數(shù)碼的顯示，大周期計(jì)數(shù)器控制數(shù)碼的移位，加法器實(shí)現(xiàn)左移出，減法器實(shí)現(xiàn)右移入，綜合起來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求。邏輯分析包括硬件分析均無問題，但實(shí)際下載到電路板上實(shí)現(xiàn)時(shí)，局部移位出現(xiàn)亂碼。在實(shí)驗(yàn)室規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒能調(diào)試成功，真是遺憾。分析問題可能出在移位時(shí)間的選擇上，需要再從仿真波形著手，仔細(xì)分析邏輯中的小BUG。七本實(shí)驗(yàn)總結(jié)與結(jié)論1.經(jīng)過邏輯分析，編寫VHDL代碼，然后調(diào)試，進(jìn)行波形仿真，最后下載到實(shí)驗(yàn)板實(shí)現(xiàn)，一系列工序之后，成功實(shí)現(xiàn)了本實(shí)驗(yàn)要求的比做任務(wù)1和選作任務(wù)2-I，選作任務(wù)2-II邏輯上稍有問題，還需進(jìn)一步改良編碼，仿真測(cè)試。2.進(jìn)行數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)，理論分析是十分重要的一環(huán)，只有邏輯分析透徹?zé)o誤了，才能用語言進(jìn)行描述，