Sterowanie wyświetlaczem LED

Zadanie: Głównym celem ćwiczenia jest opracowanie podbloku sterującego czterema cyframi wyświetlacza LED do wykorzystania w następnych ćwiczeniach.
Do sprawdzenia działania tego bloku należy go osadzić w układzie umożliwiającym ustawienie (za pomocą przycisków i przełączników) oraz wyświetlenie na wyświetlaczu LED dowolnej 4-znakowej liczby szesnastkowej wraz z przecinkami.

Rys. 1 Zdjęcie płytki Digilent Spartan 3.

Podstawowy blok sterowania wyświetlaczem powinien mieć następujący interfejs (blok ten przyda się w następnych ćwiczeniach):

Rys. 2 Interfejs bloku sterowania wyświetlaczem.

Znaczenie portów:
- clk_i - na to wejście będzie podawany zegar o częstotliwości 50 MHz.
- rst_i - reset asynchroniczny aktywny stanem wysokim '1'. Po wystąpieniu sygnału rst_i, powinny się zapalić wszystkie segmenty wyświetlacza.
- digit_i - 32-bitowe wejście, każdy bit odpowiada poszczególnemu segmentowi (8 najstarszych bitów dotyczy cyfry AN3, itd).

- led7_an_o – wyjście sterujące anodami wyświetlaczy (określa który wyświetlacz się świeci).

- led7_seg_o – wyjście sterujące segmentami wyświetlaczy (określa świecące się segmenty).

Wyświetlacz składa się z czterech 7-segmentowych wyświetlaczy LED. Odpowiednie segmenty poszczególnych wyświetlaczy są ze sobą połączone, więc trzeba zastosować multipleksowanie. Aby zapalić odpowiedni segment należy podać '0' zarówno na cyfrę (końcówka ANx) jak i na segment (A-G lub DP). Zalecana częstotliwość multipleksowania wynosi 1 kHz. Współczynnik podziału systemowej częstotliwości zegarowej (50 MHz) dający w efekcie częstotliwość multipleksowania (1 kHz) powinien być możliwym do zmiany parametrem komponentu display.

Rys. 3 Opis podłączeń poszczególnych segmentów wyświetlacza. Przykład wyświetlenia cyfry '2'.

Następnie należy zrealizować drugi komponent - obsługujący enkoder i pamięć wyświetlacza. Służy on do przetestowania bloku display i powinien zapewniać następujące działanie:

1) Przełącznikami SW3, SW2, SW1, SW0 ustawiamy 4-bitową wartość.
2) Naciśnięcie przycisku BTN3 spowoduje zapalenie na cyfrze AN3 wyświetlacza aktualnie ustawionej wartości na przełącznikach SW3-SW0. Wartość należy wyświetlić w postaci szesnastkowej. Takie samo działanie należy przypisać do pozostałych przycisków, tj. odpowiednio: naciśnięcie BTN2 powoduje zapalenie cyfry AN2, BTN1 → AN1 oraz BTN0 → AN0. Po naciśnięciu przycisku, znak na wyświetlaczu powinien się palić trwale, aż do wpisania nowej wartości.
3) Załączenie przełącznika SW7 powinno spowodować zapalenie kropki dziesiętnej DP wyświetlacza AN3. Wyłączenie przełącznika powinno spowodować zgaszenie kropki DP tego wyświetlacza. Identyczne działanie dotyczy także SW6 → DP AN2, SW5 → DP AN1, SW4 → DP AN0. Działanie tej funkcji ma być niezależne od stanu przycisków BTNx.

Rys. 4 Schemat blokowy całego układu.

Napisać testbench. Jeśli do celów symulacji okaże się to niezbędne, można dodać do bloku głównego port wejściowy reset. Przed implementacją wykonać symulację układu z wykorzystaniem pliku testbench.

Plik ucf do zadania, płytka Digilent Spartan-3, układ Spartan-3 3S200 FT256-4:

#######################################################################
# Clock:
NET "clk_i" LOC = "T9" ; # 50 MHz clock
#######################################################################

#######################################################################
# Seven-segment LED display:
NET "led7_an_o<3>" LOC = "E13" ; # leftmost digit, active low
NET "led7_an_o<2>" LOC = "F14" ; # active low
NET "led7_an_o<1>" LOC = "G14" ; # active low
NET "led7_an_o<0>" LOC = "D14" ; # rightmost digit, active low
#
NET "led7_seg_o<7>" LOC = "E14" ; # segment 'a', active low
NET "led7_seg_o<6>" LOC = "G13" ; # segment 'b', active low
NET "led7_seg_o<5>" LOC = "N15" ; # segment 'c', active low
NET "led7_seg_o<4>" LOC = "P15" ; # segment 'd', active low
NET "led7_seg_o<3>" LOC = "R16" ; # segment 'e', active low
NET "led7_seg_o<2>" LOC = "F13" ; # segment 'f', active low
NET "led7_seg_o<1>" LOC = "N16" ; # segment 'g', active low
NET "led7_seg_o<0>" LOC = "P16" ; # segment 'dp', active low
######################################################################

######################################################################
# Slide switches:
# sw7 sw6 sw5 sw4 sw3 sw2 sw1 sw0
NET "sw_i<0>" LOC = "F12" ; # active high when in UP position
NET "sw_i<1>" LOC = "G12" ; # active high when in UP position
NET "sw_i<2>" LOC = "H14" ; # active high when in UP position
NET "sw_i<3>" LOC = "H13" ; # active high when in UP position
NET "sw_i<4>" LOC = "J14" ; # active high when in UP position
NET "sw_i<5>" LOC = "J13" ; # active high when in UP position
NET "sw_i<6>" LOC = "K14" ; # active high when in UP position
NET "sw_i<7>" LOC = "K13" ; # active high when in UP position
#######################################################################

#######################################################################
# Push-buttons:
# @ @ @ @
# btn3 btn2 btn1 btn0
NET "btn_i<0>" LOC = "M13" ; # active high
NET "btn_i<1>" LOC = "M14" ; # active high
NET "btn_i<2>" LOC = "L13" ; # active high
NET "btn_i<3>" LOC = "L14" ; # active high
#######################################################################