使用74HC595驱动数码管动态显示实验

提示：文章写完后，目录可以自动生成，如何生成可参考右边的帮助文档

串行移位寄存器原理详解

我们实现的是FPGA图片对应的部分。相当于写的是一个驱动，

电路逻辑示意图，不是详细的电路图。
74HC595,8位串行移位寄存器。

LATCH有上升沿的信号时，上面的REG0到3会将DFF0到3的信号存储起来，并输出到OUTPUT0到3对应的D0-D3的信号口上。

逻辑信号示意图。
表示了4位的移位寄存器。
需要4个时钟周期，移位4次。输出4位并行数据。

同理8位的移位寄存器。
需要8个时钟周期，移位8次。输出8位并行数据。

74HC595芯片的内容

QH’当成了移位的端口输出。
移位时钟SRCLK，锁定时钟RCLK。

两个并联的情况。
移位时钟SRCLK，锁定时钟RCLK。这样并联之后就可以实现16位的并行输出

只需要将这16位的信号分别接给8位8段数码管的ser（选择）接口和seg接口，就能任意控制某个数码管的某一段。
两个47HC595芯片可以实现，3个信号线传输16位信号的功能。

数码管74HC595的电路。和上面的原理是一致的。
上面是一个级联，因为QH接到了SER那里。
第一个U11QA-QH接到了数码管的HEX_SEL0-7也就是位选信号端，后边U12QA-QH接到了数码管的HEX_A-DP也就是段选信号端。

输入的信号其实就是DIO 对应的SER,RCLK,SCLK对应的SRCLK。
最终的工作不是去实现74HC595本来的功能，而是去驱动数码管管。

一、需实现的模块

模块功能：
将两个8位的SEL[7:0],SEG[7:0],通过DIO（SER），SCLK,RCLK。输出给两片级联的74HC595芯片。
将两个8位的第一级接SEL和第二级接SEG恰好稳定，出现输出在两片47HC595芯片的QA-QH上。

对应的信号传输时序图。

对应的功能表

在写代码的时候对应的时序逻辑顺序十分重要。

二、模块实现

在verilog中的信号名称不能以数字作为开头。

DIO不能在SRCLK的高电平变化，有一段时间的延迟，如上面的时间延迟表。
RCLK的上升沿一定不会出现在SRCLK的上升沿的。

思路：用线性序列机的方式实现
最小时钟单位取SRCLK的一半。

移位的时候，先移动高位再移动低位。
上一轮的结束本身就意味着下一轮的开始，

线性序列机

就是根据时序图来写代码，根据不同的时间来进行具体的操作。其中不同的时间主要是依靠计数器来进行计时。
不同的时间对应不同的操作。

1.对应模块

代码如下（示例）：

`timescale 1ns / 1ps

module HC595(
    Clk,
    Reset_n,
    SEG,
    SEL,
    DIO,
    SRCLK,
    RCLK
    );
    input Clk;
    input Reset_n;
    input [7:0]SEG;
    input [7:0]SEL;
    output reg DIO;
    output reg SRCLK;
    output reg RCLK;
    
    parameter CLOCK_FREQ = 50_000_000;
    parameter SRCLK_FREQ = 12_500_000;   //期望的SRCLK的频率
    parameter MCNT = CLOCK_FREQ/(SRCLK_FREQ * 2) - 1;
    
    reg [29:0]div_cnt;
    
        
    always@(posedge Clk or negedge Reset_n)
    if(!Reset_n)
        div_cnt <= 0;
    else if(div_cnt == MCNT)
        div_cnt <= 0;
    else
        div_cnt <= div_cnt +1'd1; 
        
    reg [4:0]cnt;
    always@(posedge Clk or negedge Reset_n)
    if(!Reset_n)
        cnt <= 0;
    else if(div_cnt == MCNT)
        cnt <= cnt +1'd1;
     
    always@(posedge Clk or negedge Reset_n)
    if(!Reset_n)begin
        DIO <= 1'd0;
        SRCLK <= 1'd0;
        RCLK <= 1'd0;
    end
    else begin  //对多个信号进行赋值的时候十分的好用。
        case(cnt)
            0:begin DIO <= SEG[7];SRCLK <= 1'd0; RCLK <= 1'd1;end
            1:begin SRCLK <= 1'd1;RCLK <= 1'd0; end
            2:begin DIO <= SEG[6];SRCLK <= 1'd0; end
            3:begin SRCLK <= 1'd1; end
            4:begin DIO <= SEG[5];SRCLK <= 1'd0; end
            5:begin SRCLK <= 1'd1; end
            6:begin DIO <= SEG[4];SRCLK <= 1'd0; end
            7:begin SRCLK <= 1'd1; end
            8:begin DIO <= SEG[3];SRCLK <= 1'd0; end
            9:begin SRCLK <= 1'd1; end
            10:begin DIO <= SEG[2];SRCLK <= 1'd0; end
            11:begin SRCLK <= 1'd1; end
            12:begin DIO <= SEG[1];SRCLK <= 1'd0; end
            13:begin SRCLK <= 1'd1; end
            14:begin DIO <= SEG[0];SRCLK <= 1'd0; end
            15:begin SRCLK <= 1'd1; end
            16:begin DIO <= SEL[7];SRCLK <= 1'd0; end
            17:begin SRCLK <= 1'd1; end
            18:begin DIO <= SEL[6];SRCLK <= 1'd0; end
            19:begin SRCLK <= 1'd1; end
            20:begin DIO <= SEL[5];SRCLK <= 1'd0; end
            21:begin SRCLK <= 1'd1; end
            22:begin DIO <= SEL[4];SRCLK <= 1'd0; end
            23:begin SRCLK <= 1'd1; end
            24:begin DIO <= SEL[3];SRCLK <= 1'd0; end
            25:begin SRCLK <= 1'd1; end
            26:begin DIO <= SEL[2];SRCLK <= 1'd0; end
            27:begin SRCLK <= 1'd1; end
            28:begin DIO <= SEL[1];SRCLK <= 1'd0; end
            29:begin SRCLK <= 1'd1; end
            30:begin DIO <= SEL[0];SRCLK <= 1'd0; end
            31:begin SRCLK <= 1'd1; end
        endcase
    end    
endmodule

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2.读入数据

代码如下（示例）：

`timescale 1ns / 1ps

module HC595_tb;
    reg Clk;
    reg Reset_n;
    reg SEG;
    reg SEL;
    wire DIO;
    wire SRCLK;
    wire RCLK;

    HC595 HC595_driver(
        .Clk(Clk),
        .Reset_n(Reset_n),
        .SEG(SEG),
        .SEL(SEL),
        .DIO(DIO),
        .SRCLK(SRCLK),
        .RCLK(RCLK)
    );
    initial Clk = 1;
    always #10 Clk = ~Clk;
    
    initial begin
        Reset_n = 0;
        SEL = 8'b0000_0001;
        SEG = 8'b0101_0101;
        #201;
        Reset_n = 1;
        #5000;
        SEL = 8'b0000_0010;
        SEG = 8'b1010_1010;
        #5000;
        SEL = 8'b1010_0101;
        SEG = 8'b0000_1101; 
        #5000;
        $stop;
    end 
     
     
endmodule
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在测试激励程序中最好能让你的输出两轮以上，这样子方便观察计数器的问题。只跑一轮是有可能出问题的。

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3.仿真结果

这里往前推传的是低位数据而不是高位的数据，SEL对的方式是按照上升沿往前推。

从这里往前对的是SEG的值。SEL的第一位同时也是SEG的最后一位。

提问，74HC595是在上升沿寄存DIO的值,为什么DIO的值是在下降沿才去变化。
答：信号在上升沿被采样，那么就让他在下降沿去变化。这样的话，变化的时刻就比采样的时刻整整差了半个时钟周期，就能保证当芯片采样数据的时候，数据就早已经变化并且稳定了。

4.驱动显示

（1）文件添加

在对应的文件夹找到之前的hex8.v数码管模块的文件，并且手动拷贝到HC595的文件夹下。

点击添加或者创建设计文件

选择对应文件添加并finish。

`timescale 1ns / 1ps

module hex8_hc595_test(
    Clk,
    Reset_n,
    SW,
    DIO,
    SRCLK, 
    RCLK
    );
    input Clk;
    input [1:0]SW;
    input Reset_n;
    output DIO;
    output SRCLK;
    output RCLK;
    
    wire [7:0]SEG,SEL;
    
    reg [31:0]Disp_Data;
    //例化内容
    HC595 HC595_driver(
        .Clk(Clk),
        .Reset_n(Reset_n),
        .SEG(SEG),
        .SEL(SEL),
        .DIO(DIO),
        .SRCLK(SRCLK),
        .RCLK(RCLK)
    );
    
    hex8 hex8(
        .Clk(Clk),
        .Reset_n(Reset_n),
        .Disp_Data(Disp_Data),
        .SEL(SEL),
        .SEG(SEG)
    );
    
    
   always@(*)
        case(SW)
            0:Disp_Data <= 32'h01234567;
            1:Disp_Data <= 32'h89abcdef;
            2:Disp_Data <= 32'h02468ace;
            3:Disp_Data <= 32'h13579bdf;
        endcase
   
   
   
   
   
   
 
endmodule

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2
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5
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7
8
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（1）实物效果

实现效果，对应的拨码开关控制对应的输出。

总结

通过Vivado软件对驱动74HC595芯片进行数码管动态显示做了仿真验证。