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LED数码显示管的应用在日常生活中随处可见。比如，公交车辆的编号、电子称的重量、价格显示等。LED显示控制方式分静态驱动和动态扫描驱动，本节通过对四位动态扫描显示控制电路的设计，熟悉用AHDL真值表形式设计逻辑器件的方法；掌握动态扫描显示的原理；了解在Quartus Ⅱ中设计ROM及其数据文件的方法。2.8.1 设计要求
设计一个四位LED数码显示动态扫描控制电路，显示4位十进制数或4字母的单词，要求显示内容可以通过按键切换。
2.8.2 设计原理分析
LED七段数码显示器的原理可参见节2.2.2,其内部有8个发光二极管，它们的阴（阳）极共接，称为共阴（阳）显示器。当共阴显示器的公共端接低（高）电平时，a～g七个段划和小数点DP由高（低）电平驱动，可以点亮相应的段。多位七段显示器的控制分为静态和动态扫描两种方法。 静态驱动方法是将所有显示器的公共端都接有效电平，各位显示器的段控制信号互不相干，分别控制。这样，n位显示器需要7×n个控制信号（不包括小数点）。比如DE2开发板上8个共阳七段LED显示管HEX0~HEX7采用静态驱动方式，需要FPGA的56个I/O口（HEX0[0]~HEX0[6]、HEX1[0]~HEX1[6]、……、HEX6[0]~HEX6[6]、HEX7[0]~HEX7[6]）对其进行控制。
动态扫描方法是将所有显示器的各个段控制端（a、b…、g、dp）一 一对应连接，而各显示器的公共端COM由位扫描信号分别控制。这样，n位显示器只需要8+n个控制信号（包括小数点）。比如，LP-2900开发装置上B区的6个共阴显示器采用了动态扫描驱动方式，6个共阴端C1~C6由通过一个3线-8线译码器分时控制，电路原理如图2-2-1所示。这样FPGA只需要11个I/O口，其中8个控制段信号、3个输出二进制码（“000”~“101”）控制C1~C6。
1．动态显示扫描控制
动态扫描驱动电路中所有的显示器由相同的段信号控制，公共端有效的显示器将显示相同的字符。所以，要使各显示器显示不同的内容，必须控制它们的公共端分时轮流有效。每个显示器只在其公共端为有效电平时根据段码信号显示相应的字符，公共端无效时灭显。
比如，若LP-2900上FPGA端口DE3、DE2、DE1按“000”→“001”→“010” →“011” →“100” →“101” →“000”循环输出二进制码，图2-2-1中的3线-8线译码器74138将输出顺序脉冲扫描控制6个共阴显示器的公共端C1~C6，信号波形如图2-8-1所示。每路脉冲信号的周期为6个时钟周期，只有1个时钟周期为低电平，且低电平时间依序错开。由于各显示器的阴极端分时轮流选通，任意瞬时只有一个显示器的公共段为有效（低）电平，所以虽然所有显示器的阳极端对应共接，但FPGA输出的段信号a~h只能使当前阴极为低电平的那个显示器显示字符，而其它显示器都由于阴极为高电平而呈灭显状态。显然，根据位扫描时序同步输出各位显示器对应的段控制信号N1~N6，就能使它们逐位顺序轮流显示。C1控制的LED显示N1电磁炮制作、C2控制的LED显示N2，……，C6控制的LED显示N6。
动态扫描显示电路每位显示的时间为一个CP周期，显示扫描周期T为时钟周期的n倍（n为显示位数），每个显示器的显示时间为1/n。当扫描时钟CP较低时，因为轮流导通可能造成显示信息闪烁。但当扫描频率提高到使每个显示器每秒的导通次数多于50次（T < 20ms）时，由于人眼的视觉暂留效应，就不会感觉显示器闪烁。但扫描位数过多时，显示亮度将受到影响。
图2-8-1 6位动态显示扫描信号时序
2．显示译码电路
在数字电路中，数符、文字信息一般用二进制编码表示，信息数量N和编码位数n满足N＜2n。比如，表示10个十进制数符0~9的二进制码有4位，称BCD码。LED七段显示器通过七个段形的发光二极管a~g显示数符或字母。因此，表示数符、文字信息的二进制编码需要通过显示译码器件译成段信号Ni（a~g）控制LED显示相应的字符。在2.2节中介绍的集成
七段显示译码器件7447和7448可以将8421BCD码译成控制共阳或共阴数码管显示十进制数符的段信号，但器件输入非8421BCD码时，输出使数码管灭显或无意义。
根据七段数码管的段划排列，除10个数符外，还可以显示英文字母A、b、C、d、E、F、H、J、L、P、q、U、y，加上灭显码，可以显示的信息量至少有24个，需要5位二进制码表示。若设5位二进制编码“00000”~“01001”表示十进制数符0~9；而二进制码“01010”表示字母A、“01011”表示字母b、……等。这样，如果需要显示字母等信息，必须设计一个显示译码器件，输入为5位二进制码，输出为a~g七个显示段控制信号。比如，当译码器输入二进制码为“01010”时，可以输出a、b、c、e、f、g有效、d无效，控制显示器显示“A”，共阴显示器的控制信号如图2-8-2所示。显然，七段显示译码器件具有典型的组合逻辑功能。在QuartusII中，采用AHDL硬件描述语言的形式可以很方便地以列真值表的方法创建组合逻辑器件符号，具体方法参见节1.3.4例3。
图2-8-2 显示“A”
2.8.3 参考设计思路
根据设计原理分析，动态扫描显示控制的关键问题在于产生顺序脉冲分时选通各显示器的公共端，并同步输出其段控制信号。在数字电路中，类似图2-8-1的时序波形可以采用移位脉冲发生器产生，也可采用计数器控制二进制译码器产生。若采用LP-2900开发装置，由于已在FPGA外部设置了3线-8线译码器74138控制显示器的共阴极，因此只要采用计数器产生二进制计数信号控制译码器即能实现动态显示扫描。在LP-2900上实现四位动态扫描显示控制电路的参考设计方案原理框图如图2-8-3所示，图中虚线框内为开发装置上的固有器件，框外为FPGA中需要设计的部分。
图2-8-3 动态扫描显示电路参考设计方案原理框图
本设计要求实现四位动态扫描显示，可以任选LP-2900六位显示中的前四位或后四位显示。若采用六进制计数器产生“000”~“101”六组码控制74138，全部显示的选通信号轮流有效，可以使N1、N2为全“0”灭显前两位显示器或使N5、N6为全零灭显后两位。如果采用四进制计数器的输出控制DE2、DE1，并使DE3始终为0（端口接GND），则74138输入码A以“000”、“001”、“010”、“011”循环变化，输出控制C1~C4轮流为低电平，C5、C6始终为高电平，后两位显示器灭显，不必输出N5、N6信号。
由于Ni必须在相应的Ci有效时同步输出，所以可采用控制产生Ci顺序脉冲的计数器同步控制数据选择器选择各位的显示码，经过显示译码输出七段控制信号Ni，同时选择该位的小数点控制信号控制显示器的dp端。比如，若需要显示四位十进制数字“42.75”，则各位显示码为：E1～A1=“00100”；E2～A2=“00010”；E3～A3 =“00111”； E4～A4=“00101”；dp1～dp4=“0100”。由于四个通道的显示码选择与四位显示器的扫描信号由计数器同时控制，所以当计数器输出DE2，DE1为“00”时，C1有效时，选择显示码E1～A1（E1、D1、C1、B1、A1）和小数点dp1；若计数器输出为“01”，C2有效，选择显示码是E2～A2和dp2，如此一一对应。
2.8.4 设计预习准备
1．拟定显示码代表的显示字符，列出七段显示译码器的真值表。
2．拟定四组希望显示的内容，比如任意4位十进制数或4字母以下的单词，如“HELP”、“JEEP”、“FLy”等，根据译码表列出显示码。
3．预习节1.3.4，了解利用宏功能模块设计LPM参数化器件的方法。
4．根据所用FPGA开发装置拟定设计方案，考虑各器件的连接关系。
5．分析显示码选择器需要几个选择通道，每个通道的位宽是多少？
6．选择扫描时钟频率，确定分频系数。
滨州玻璃垫片 7．针对所使用开发装置上的FPGA端口协议，确定控制输入、输出端口的FPGA 引脚编号。
2.8.5 参考设计步骤
1．新建设计项目project。
2．新建AHDL文本文件，按节1.3.4例3的方法插入真值表模板“Truth Table Statement”，根据预习所列的七段显示译码表填入输入、输出逻辑关系。分析与综合通过后创建逻辑符号。
3．新建图形文件，输入七段显示译码器逻辑符号，设计扫描控制计数器，计数脉冲先采用一个输入端口input控制。计数器输出控制扫描译码器，若采用LP-2900可直接控制输出端口DE3~DE1。
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4．选择合适的数据选择器或采用宏功能模块设计参数化数据选择器lpm_mux。选择器的数据输入设置输入端口组input。计数器输出控制选择器的选择输入端。
5．分析与综合通过后建立仿真文件，设置数据选择器的输入显示码，进行功能仿真。观察扫描脉冲输入后，段控制信号输出是否符合设计初衷。功能正确后创建四位动态扫描显示器逻辑符号，可在其它设计项目中调用。
6．新建图形文件并设置为顶层文件，调入四位动态扫描显示器逻辑符号，显示码输入以参
数化逻辑常量lpm_constant的形式设置或通过按键控制，要注意各位显示码在选择器的输入位置。设计分频电路。
7．鞋帮分析与综合通过后分配FPGA端口引脚编号。编译通过后下载，观察显示内容是否正确。
2.8.6 锁紧螺栓 思考问题
1．根据你的设计，每个显示器的显示切换频率是多少？每次的显示时间是多少？
2．如果控制的显示器为共阳方式，电路需要作哪些修改？
3．如果用设计好的四位动态扫描显示控制电路实现三位显示，是否可以？
4．如果希望将显示码存放在存储器中，通过按键选择不同的显示内容，电路可以如何设计？是否还需要数据选择器？存储器的字数和字长和什么有关？
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