ディスプレイボードにある7セグを制御する回路

Details

この文書では，教材に備わる4桁の7セグメントのピンアサインと制御方法について説明します．

1:概要

教材に備わる4桁の7セグメントは，各桁ごとに表示したい数値(4[bit])を入力すると，ダイナミック点灯方式で数字の表示をしてくれます．また，表示と非表示を切り替えることができます．

2:ブロック図

下にブロック図を示すとともに，各端子の説明を図の下にある表で示します．

 

端子名 入力/出力 バス幅 説明
iClrN 入力 1 表示/非表示を切り替えるための端子です．Highだと点灯，Lowだと消灯です． 
iDis1Num 入力 4  教材のDP1と書かれている7セグメントLEDに表示される数字です．
iDis2Num 入力 4 教材のDP2と書かれている7セグメントLEDに表示される数字です．
iDis3Num 入力 4 教材のDP3と書かれている7セグメントLEDに表示される数字です．
iDis4Num 入力 4 教材のDP4と書かれている7セグメントLEDに表示される数字です．
iClk 入力 1

ダイナミック点灯方式で表示させるために使用されるクロック(27[MHz])です．
内部では10[kHz]程に分周されています． 
oPattern 出力 8 表示したいパターン信号です．同じセグメント(たとえばセグメントA)は
電気的に接続されているため，もしDIGITが1111の場合にはすべてが同じ数字を
表示します．実際に使用するときには，上記DIGITは1個しかビットが立たないように
制御すれば，各桁は別の数字が表示されているように見えます．
oDigit 出力 4

ダイナミック点灯方式では，4個の7セグメントLEDから1個を指定してから，
表示するパターンを全7セグに送ります．oDigitは1個の7セグを指定するときに
用います．Highとなっている桁のみ表示するよう，回路設計がなされています
ので，0001⇒0010⇒0100⇒1000⇒0001…を繰り返すことになります．

 

3:外部回路

下に7セグメントLEDに関する回路を抜き出した図を示します．左側にある2つのトランジスタアレイは，上がソース型，下がシンク型です．ソース型トランジスタアレイの出力が7セグメントLEDのアノード端子に接続されており，シンク型トランジスタアレイの出力が7セグメントLEDのカソード端子に接続されています．ソース型トランジスタアレイの入力にはA～G，DPの8端子があります．これらの端子をHighにすると7セグの各セグメントに接続されたアノード側へ電気が流れます．シンク型トランジスタアレイの入力端子をHighにすると7セグメントLEDのカソードから流れる電気をGNDへ接続されます．その結果，カソードコモンのLEDに電気が流れることになります．まとめますと，ソース型トランジスタアレイの入力端子をHighにするとアノードに電気が流れ，シンク型トランジスタアレイの入力端子をHighにするとカソードに電気が流れるということです．

 

各セグメントは下図のように割り振られています．従いまして，DP4に「1」というパターンを表示する場合には，B，C，CC4をHigh，それ以外の端子をLowにすればよいのです．

 

4:ピンアサイン

ピンアサインを下表で示します．この表をもとにGOWIN EDA FloorPlannerでピンを割り振ってください．表示する数字を制御するためにトグルスイッチとプッシュスイッチを用いています．以前説明した7セグメントLEDを制御する回路のピンアサインでは，oDigitになっている4ビットの信号をCC1～CC4に，oPatternになっている8ビットの信号をA～G，DPに接続すればよいでしょう．

ピン名 回路図上の名称 FPGAのピン番号 信号の種類 ポート名
トグルスイッチ1 SW1  69 LVCMOS33 iDis1Num[0]
トグルスイッチ2 SW2  68 LVCMOS33 iDis1Num[1]
トグルスイッチ3 SW3  57 LVCMOS33 iDis1Num[2]
トグルスイッチ4 SW4  56 LVCMOS33 iDis1Num[3]
トグルスイッチ5 SW5  55 LVCMOS33 iDis2Num[0]
トグルスイッチ6 SW6  54 LVCMOS33 iDis2Num[1]
トグルスイッチ7 SW7  53 LVCMOS33 iDis2Num[2]
トグルスイッチ8 SW8  51 LVCMOS33 iDis2Num[3]
トグルスイッチ9 SW9  42 LVCMOS33 iDis3Num[0]
トグルスイッチ10 SW10  41 LVCMOS33 iDis3Num[1]
トグルスイッチ11 SW11  35 LVCMOS33 iDis3Num[2]
トグルスイッチ12 SW12  40 LVCMOS33 iDis3Num[3]
トグルスイッチ13 SW13  34 LVCMOS33 iDis4Num[0]
トグルスイッチ14 SW14  33 LVCMOS33 iDis4Num[1]
トグルスイッチ15 SW15  30 LVCMOS33 iDis4Num[2]
トグルスイッチ16 SW16  29 LVCMOS33 iDis4Num[3]
プッシュスイッチ (不記載)  3 LVCMOS33 iClrN
クロック (不記載)  32 LVCMOS33 iClk
セグメントA A  75 LVCMOS33 oPattern[0]
セグメントB B  74 LVCMOS33 oPattern[1]
セグメントC C  73 LVCMOS33 oPattern[2]
セグメントD D  72 LVCMOS33 oPattern[3]
セグメントE E  71 LVCMOS33 oPattern[4]
セグメントF F  70 LVCMOS33 oPattern[5]
セグメントG G  48 LVCMOS33 oPattern[6]
セグメントDP DP  49 LVCMOS33 oPattern[7]
DP1のカソードコモン CC1  83 LVCMOS33 oDigit[0]
DP2のカソードコモン CC2  84 LVCMOS33 oDigit[1]
DP3のカソードコモン CC3  85 LVCMOS33 oDigit[2]
DP4のカソードコモン CC4  86 LVCMOS33 oDigit[3]

 

5:内部信号

4桁の7セグメントをダイナミック点灯方式で表示する場合，次に示す内部信号が必要となります．

名称 reg/wire ビット幅 個数 初期値 備考
oPattern reg 8 1 8'b1111_1111 ポート宣言の信号をregにしている．
oDigit reg 4 1 4'b0001 ポート宣言の信号をregにしている．
cnt wire 2 1 なし 表示している桁を表す信号．0から3までの値となる．
dividedClk wire 1 1 なし およそ1.2[kHz]に分周されたクロック．
num wire 4 1 なし 表示する値．

 

6: サブモジュール

ここでは7セグメントLEDを制御するために用いるサブモジュールについて説明します．サブモジュールとして下記の5つを用います．これらのサブモジュールを接続して一つのモジュールにしてください．

6-1: ダイナミック点灯用分周器

端子名  入力／出力  バス幅  説明
 iClk 入力 1 27[MHz]の入力クロック．
 oDividedClk  出力 1 1[kHz]に分周されたクロック．

6-2: 表示桁用カウンタ

 端子名  入力／出力  バス幅   説明
 iClk 入力 1 1[kHz]に分周されたクロック．
 oCnt 出力 1 0～3までの値．クロックが立ち上がるたびに数値が増える．

6-3: 表示桁用セレクタ

 端子名 入力／出力 バス幅 説明
iDis1Num 入力 4 DP1に表示される0～15までの値．
iDis1Num 入力 4 DP2に表示される0～15までの値．
iDis1Num 入力 4 DP3に表示される0～15までの値．
iDis1Num 入力 4 DP4に表示される0～15までの値．
iCnt 入力 2 上記4種の信号を選択する基準となる値．0: iDis1Num，1: iDis2Num，2: Dis3Num，3: Dis4Numを選択する．
oNum 出力 4 選択された0～15までの値．

6-4: 表示桁切替器

端子名 入力／出力 バス幅 説明
iCnt 入力 2 表示桁用カウンタで数えられた，0～3までの値．
oDigit 出力 4 表示桁を1，非表示桁を0とする4ビットの値．

6-5: 7セグメントLED用デコーダ

 端子名  入力／出力  バス幅  説明
iClrN 入力 1 0のときには非表示，1のときには表示する信号．
iNum 入力 4 表示する0～15までの値．
iOnOff 入力 1 隣の桁の残像を出さぬようにするため，0のときには非表示，1の時には表示にする信号．dividedClkと接続すればよい．
oPattern 出力 8 7セグメントLED用にiNumをデコードしたもの．