04 SPI驱动HC595点亮数码管

软件版本：VIVADO2021.1

操作系统：WIN10 64bit

硬件平台：适用XILINX A7/K7/Z7/ZU/KU系列FPGA

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1概述

前面课程我们编写SPI通信FPGA的收发程序，那么这一节课，我们将展示下SPI接口的应用，使用SPI接口的74HC595实现数据的串并转换，并且动态点亮数码管。

本节课的目标，不仅仅是点亮数码管，笔者希望大家掌握笔者的学习方法，通过对74HC595芯片的内部结构，接口信号，以及驱动时序的分析，掌握如何通过SPI通信接口去控制一些SPI接口的芯片。对于搞FPGA的人来说，经常会使用SPI接口去读取ADC或者控制DAC。所以读者非常有必要掌握好SPI接口FPGA程序的设计，笔者这里给出的每个例子都是具备学习的价值意义的。

2硬件设计分析

2.1数码管动态显示原理

如上图所示，为我们8位共阳极7位数码管的电路原理图，这里的数码管是共阳极驱动，所以当74HC595 U2的QA、QB、QC、QD控制数码管的阳极，也就是负责选通哪一个数码管点亮；而74HC595 U1控制显示具体的数值内容。动态显示的原理就是某一个时刻只显示1个数码管，对于我们人眼来说刷新率在25hz以上就会感觉所有数码管都是同时点亮的效果。

我们看到数码管的字母abcdefgdp代表的是什么意思呢？如下图所示，就是代表了每个LED，当设置abcdefgh中任意位为0就是点亮数码管。所以我们可以得出一个表，用于显示相应的数值。

Value	Code	Value	Code
0	8'hc0	8	8'h80
1	8'hf9	9	8'h90
2	8'ha4	A	8'h88
3	8'hb0	B	8'h83
4	8'h99	C	8'hc6
5	8'h92	D	8'ha1
6	8'h82	E	8'h96
7	8'hf8	F	8'h8e

3认识74HC595使用

对于FPGA基础的课程内容，笔者认为多学点知识的过程比做出结果更有意义，所以我们这里把74HC595芯片的使用也分析下。

3.1 74HC595的内部功能单元

我们先从74HC595内部的原理图看下芯片的功能。可以看到里面最关键功能单元是8个D触发器用于移位和另外8个D触发器用于数据的输出到功能PIN脚上。

我们SPI接口的数据从Serial input A输入，并且通过SHIFT CLOCK每个时钟移位进入74HC595的触发器中，一个74HC595支持8bit IO扩展，如果需要更多IO，则可以通过74HC595的级联输出到下一个74HC595芯片的输入。

如上面图片所示，我们为了动态驱动数码管，扩展了16个IO(其中有4个本例中没有用到)。比如本文中的例子，我们完成了16bit数据的移位，那么需要通过LATCH CLK 把数据从移位寄存器打入输出寄存器。

3.2 74HC595驱动真值表

以上这张表是来源于74HC595的计数手册，笔者红线框出的部分就是我们需要设计的驱动时序要求。从中可以看到，74HC595工作需要设置复位管脚为高电平，并且设置Output Enable为低电平。第一个红框中数据在每个shift Clock的上升沿打入移位寄存器。在第二个红框中Latch Clock为上升沿的时候，数据从移位寄存器打入输出寄存器。

3.3 74HC595关键的时序要求

对于FPGA的外设接口，我们一定要掌握驱动时序的设计。这里笔者给出2张表和1张图。

2张表如下：

一张图如下：

作为一个FPGA初学者应该如何设计理解上面的时序呢？

1)、对于一个SPI的接口器件，首选我们应该看最高的接口速度。从上面表种参数fmax在3.0V工作情况下，85°的工作温度，可以达到10MHZ，有了这个参数我们就可以设计我们的SPI 接口的时钟了，比如我们这里设计的是100KHZ的频率，肯定满足要求的。

2)、建立时间和保存时间，数据为了可以正确打入D触发器需要有足够的建立时间有保存实际。74HC595的数据建立和保持时要求如figure5所示，tsu=50ns th=5ns,我们设计的SPI发送程序，是在SPI时钟的下降沿发送数据。假设以25M系统时钟，以及100倍分频，SPI时钟来说，SPI时钟为250khz,SPI时钟周期为4us,具有2us的建立时间和保持时间，绰绰有余了，这样我们的数据肯定可以满足建立时间和保持时间要求。

3)、LATCH CLOCK和SHIFT CLOCK也是需要满足建立时间和保持时间要求，如Figure6所示。Tsu=70ns 并且tw为50ns。

我们的SPI用户代码部分是在所有数据位发送完成后设置LATCH CLOCK位1， LATCH CLOCK的建立时间有10个系统时钟周期，对于25M的时钟具有4us的时间，我们SPI用户代码部分控制了LATCH CLOCK的tw大于50ns这样设计就满足时序要求了。

本例中，复位RESET和OE都是设置了电平常量，所以只要设计好了以上三个关键时序就可以了。掌握74HC595SPI时序分析比我们点亮数码管更具有意义和价值。

4用户控制代码

硬件电路中，通过3根数据线，2片74HC595实现16个GPIO的扩展。使用FEP-BASE卡具有4个数码管，以动态扫描的方式点亮。动态扫描代表每一时刻只有一个数码管被点亮，只要扫描的速度足够快，看起来就是同时点亮的。

笔者依然先给出程序，到这个阶段有些读者应该可以自己完成代码的阅读了，对于基础不好的读者继续看下面笔者对代码的解析。

4.1 ui_displed.v

module ui_displed#

(

parameter CLK_DIV = 100

)

(

input I_clk, //系统时钟

input I_rstn, //复位

output O_spi_sclk, //hc595移位时钟

output O_spi_mosi, //hc595串行数据

output O_hc595_lach, //hc595数据加载到输出寄存器

input [3:0]I_disp_led0, //Display LED0

input [3:0]I_disp_led1, //Display LED1

input [3:0]I_disp_led2, //Display LED2

input [3:0]I_disp_led3, //Display LED3

input [3:0]I_disp_led4, //Display LED4

input [3:0]I_disp_led5, //Display LED5

input [3:0]I_disp_led6, //Display LED6

input [3:0]I_disp_led7 //Display LED7

);

//数码管真值表

localparam

DS_0 = 8'hC0,//数码管显示0

DS_1 = 8'hF9,//数码管显示1

DS_2 = 8'hA4,//数码管显示2

DS_3 = 8'hB0,//数码管显示3

DS_4 = 8'h99,//数码管显示4

DS_5 = 8'h92,//数码管显示5

DS_6 = 8'h82,//数码管显示6

DS_7 = 8'hf8,//数码管显示7

DS_8 = 8'h80,//数码管显示8

DS_9 = 8'h90,//数码管显示9

DS_A = 8'h88,//数码管显示A

DS_B = 8'h83,//数码管显示B

DS_C = 8'hc6,//数码管显示C

DS_D = 8'ha1,//数码管显示D

DS_E = 8'h86,//数码管显示E

DS_F = 8'h8e,//数码管显示F

DS_BC_ON = 8'hbf,//b c点亮

DS_BC_OFF = 8'hff;//b c点灭

reg [7:0] spi_tx_data = 8'd0;

reg spi_tx_req = 1'b0;

wire spi_busy;

reg lach595 = 1'b0;

reg [3:0] M_S = 3'd0;

reg [2:0] disp_num = 4'd0;

reg [7:0] disp_led_n = 8'd0;

reg [3:0] disp_led = 4'd0;

reg [7:0] disp_truth_value = 8'd0;

wire disp_en ;

assign O_hc595_lach = lach595; //hc595数据加载到输出寄存器的控制信号

assign disp_en = (M_S == 4'd15); //到达状态15完成一次传输

//动态门控数字管

always @(posedge I_clk or negedge I_rstn)begin

if(!I_rstn)

disp_num <= 3'd0;

else if( disp_en )

disp_num <= disp_num + 1'b1;

end

always @(posedge I_clk or negedge I_rstn)begin

if(!I_rstn)begin //异步复位，低电平有效

spi_tx_req <= 1'b0; //req 信号归零，回归初始状态

spi_tx_data <= 8'd0; //待发送数据的data信号清零

lach595 <= 1'b0;

M_S <= 4'd0;

end

else begin

case(M_S)

0:if(!spi_busy)begin //总线不忙启动传输

spi_tx_req <= 1'b1; //req信号拉高，开始第一次传输

spi_tx_data <= disp_led_n; //哪一个数码管显示数字信号传输

M_S <= 4'd1;

end

1:if(spi_busy)begin

spi_tx_req <= 1'b0; //req信号拉低，等待传输完成，也就是busy信号拉低

M_S <= 4'd2;

end

2:if(!spi_busy)begin //总线不忙启动传输

spi_tx_req <= 1'b1; //req信号拉高，开始第二次传输

spi_tx_data <= disp_truth_value; //数码管显示数字数值传输

M_S <= 4'd3;

end

3:if(spi_busy)begin

spi_tx_req <= 1'b0; //req信号拉低，等待传输完成，也就是busy信号拉低

M_S <= 4'd4;

end

4:if(!spi_busy)begin //向hc595输出寄存器发送数据

lach595 <= 1'b1; //控制信号拉高

M_S <= 4'd5;

end

5,6,7,8,9,10,11,12,13,14:begin //延迟一些时钟以满足发射定时要求

M_S <= M_S + 1'b1;

end

15:begin

lach595 <= 1'b0;

M_S <= 4'd0;

end

default:M_S <= 4'd0;

endcase

end

//动态门控数字管，hc595的第1组数据

always @(*)begin

case ( disp_num )

begin disp_led <= I_disp_led0;disp_led_n <= 8'b00001000;end//数码管 0 选中

begin disp_led <= I_disp_led1;disp_led_n <= 8'b00000100;end//数码管 1 选中

begin disp_led <= I_disp_led2;disp_led_n <= 8'b00000010;end//数码管 2 选中

begin disp_led <= I_disp_led3;disp_led_n <= 8'b00000001;end//数码管 3 选中

begin disp_led <= I_disp_led4;disp_led_n <= 8'b10000000;end//数码管 4 选中

begin disp_led <= I_disp_led5;disp_led_n <= 8'b01000000;end//数码管 5 选中

begin disp_led <= I_disp_led6;disp_led_n <= 8'b00100000;end//数码管 6 选中

begin disp_led <= I_disp_led7;disp_led_n <= 8'b00010000;end//数码管 7 选中

endcase

end

//动态门控数字管，hc595第2组数据

always @(*)begin

case( disp_led )

4'h0: disp_truth_value <= DS_0; //disp_led数字选择几，就disp_truth_value值就传输对应的数码管真值表

4'h1: disp_truth_value <= DS_1;

4'h2: disp_truth_value <= DS_2;

4'h3: disp_truth_value <= DS_3;

4'h4: disp_truth_value <= DS_4;

4'h5: disp_truth_value <= DS_5;

4'h6: disp_truth_value <= DS_6;

4'h7: disp_truth_value <= DS_7;

4'h8: disp_truth_value <= DS_8;

4'h9: disp_truth_value <= DS_9;

4'ha: disp_truth_value <= DS_BC_ON;

4'hb: disp_truth_value <= DS_BC_OFF;

default : disp_truth_value <= 8'd0; // disp_truth_value的值复位清零

endcase

end

//spi主控制器

uimspi_tx#

(

.CLK_DIV(CLK_DIV),

.CPOL(1'b0),

.CPHA(1'b0)

)

uimspi_tx_inst(

.I_clk(I_clk),//全局时钟信号

.I_rstn(I_rstn),//全局复位

.O_spi_mosi(O_spi_mosi),//spi 数据传输信号

.O_spi_sclk(O_spi_sclk),//spi 时钟信号

.I_spi_tx_req(spi_tx_req),//spi_tx_req信号为高时，表示传输开始

.I_spi_tx_data(spi_tx_data),//spi tx传输驱动需要传输的数据

.O_spi_busy(spi_busy)//spi 忙信号，拉高表示正在传输，新的数据暂停刷入传输寄存器

);

endmodule

4.2 ui_displed程序的分析

第一步：正确认识硬件原理图和驱动时序

我们在前面的内容里面介绍了一些硬件知识，包括数码管动态显示的原理，以及74HC595芯片的内部结构和驱动时序。对于我们一个FPGA程序员来说，掌握好硬件的知识，以及时序相关的内容，就可以设计程序了。

第二步：构建主要功能单元

1、构建用户代码的状态机单元

根据前面的74HC595和数码管的硬件设计图纸，通过分析我们需要发送2个8bit的数据共计16bit。因为我们需要修改前面章节中关于SPI测试程序的用户发送状态机，另外为了满足74HC595 LACH CLK的tsu(肯定满足)和tw周期时间要求，我们还需要设置lach clk的延迟。

always @(posedge I_clk or negedge I_rstn)begin

if(!I_rstn)begin //异步复位，低电平有效

spi_tx_req <= 1'b0; //req 信号归零，回归初始状态

spi_tx_data <= 8'd0; //待发送数据的data信号清零

lach595 <= 1'b0;

M_S <= 4'd0;

end

else begin

case(M_S)

0:if(!spi_busy)begin //总线不忙启动传输

spi_tx_req <= 1'b1; //req信号拉高，开始第一次传输

spi_tx_data <= disp_led_n; //哪一个数码管显示数字信号传输

M_S <= 4'd1;

end

1:if(spi_busy)begin

spi_tx_req <= 1'b0; //req信号拉低，等待传输完成，也就是busy信号拉低

M_S <= 4'd2;

end

2:if(!spi_busy)begin //总线不忙启动传输

spi_tx_req <= 1'b1; //req信号拉高，开始第二次传输

spi_tx_data <= disp_truth_value; //数码管显示数字数值传输

M_S <= 4'd3;

end

3:if(spi_busy)begin

spi_tx_req <= 1'b0; //req信号拉低，等待传输完成，也就是busy信号拉低

M_S <= 4'd4;

end

4:if(!spi_busy)begin //向hc595输出寄存器发送数据

lach595 <= 1'b1; //控制信号拉高

M_S <= 4'd5;

end

5,6,7,8,9,10,11,12,13,14:begin //延迟一些时钟以满足发射定时要求

M_S <= M_S + 1'b1;

end

15:begin

lach595 <= 1'b0;

M_S <= 4'd0;

end

default:M_S <= 4'd0;

endcase

end

2、构建数值显示查表单元

把需要显示的数值，通过查表，找到数码管对应数值的二进制码

//数码管真值表

localparam

DS_0 = 8'hC0,//数码管显示0

DS_1 = 8'hF9,//数码管显示1

DS_2 = 8'hA4,//数码管显示2

DS_3 = 8'hB0,//数码管显示3

DS_4 = 8'h99,//数码管显示4

DS_5 = 8'h92,//数码管显示5

DS_6 = 8'h82,//数码管显示6

DS_7 = 8'hf8,//数码管显示7

DS_8 = 8'h80,//数码管显示8

DS_9 = 8'h90,//数码管显示9

DS_A = 8'h88,//数码管显示A

DS_B = 8'h83,//数码管显示B

DS_C = 8'hc6,//数码管显示C

DS_D = 8'ha1,//数码管显示D

DS_E = 8'h86,//数码管显示E

DS_F = 8'h8e,//数码管显示F

DS_BC_ON = 8'hbf,//b c点亮

DS_BC_OFF = 8'hff;//b c点灭

//动态门控数字管，hc595第2组数据

always @(*)begin

case( disp_led )

4'h0: disp_truth_value <= DS_0; //disp_led数字选择几，就disp_truth_value值就传输对应的数码管真值表

4'h1: disp_truth_value <= DS_1;

4'h2: disp_truth_value <= DS_2;

4'h3: disp_truth_value <= DS_3;

4'h4: disp_truth_value <= DS_4;

4'h5: disp_truth_value <= DS_5;

4'h6: disp_truth_value <= DS_6;

4'h7: disp_truth_value <= DS_7;

4'h8: disp_truth_value <= DS_8;

4'h9: disp_truth_value <= DS_9;

4'ha: disp_truth_value <= DS_BC_ON;

4'hb: disp_truth_value <= DS_BC_OFF;

default : disp_truth_value <= 8'd0; // disp_truth_value的值复位清零

endcase

end

3、构建动态扫描单元

我们可以设置固定的刷新频率，这样需要设置一个时间计数器，每过一定的时间刷新数码管，我们这里以全速刷新，只要状态机完成一次发送数据，就开始下次的刷新。由于数码管是共阳极的，所以当需要显示的数码管的共阳极设置位1这个数码管就可以正确显示。