🔄 8 位动态扫描设计：一眼看成一个数字的把戏

这一篇在干嘛？

上一篇的静态显示有个致命局限：所有位只能显示同一个字符。这一篇用动态扫描破解它——8 位数码管其实每一瞬间只有一位在亮，只是切换速度快到人眼无法分辨，看起来就是 8 位同时显示各自的数字。你会学到扫描计数器、位选轮流通电、段码跟随切换这套经典的「轮播」结构。

实验目标与扫描原理

实验任务：

学习硬件扫描显示电路的设计；
掌握利用 FPGA 设计 8 位七段数码管扫描显示驱动电路的方法。

段码与位码

LED 数码管有段码和位码之分：

段码：让 LED 显示出某个字符（如「8.」）的那 8 位数据。一般要通过译码电路，将输入的 4 位二进制数转换为与 LED 显示对应的段码（上一篇的七段译码器干的就是这个活）；
位码：LED 的显示使能端。对于共阳极的 LED 而言，低电平使能——位码中某一位为 0，对应的那位数码管才接通显示。

为什么轮流点亮却能「同时」显示

要让 8 个数码管各自显示不同数据，做法是：不停地循环扫描每一个数码管，在使能每一个数码管的同时，输入它所需显示数据对应的 8 位段码。

虽然 8 个数码管是依次显示的，但只要扫描频率足够高——大于 50Hz（即每位点亮的时间短于人眼视觉暂留的分辨极限）——受视觉分辨率的影响，看到的现象就是 8 个 LED 同时工作。这是利用人眼视觉暂留的经典设计，和电影每秒 24 帧看起来是连续画面是同一个道理。

板上电路回顾

HX4S20 板采用 8 位共阳数码管（数码管原理及驱动方式可参照实验 4，或查阅「使用手册」原理图）。8 位数码扫描显示电路中，每个数码管的 8 个段 h、g、f、e、d、c、b、a（h 是小数点）都分别连在一起，8 个数码管分别由 8 个选通信号 k1～k8 来选择。被选通的数码管显示数据，其余关闭。例如某一时刻 k3 为低电平、其余选通信号为高电平，这时仅 k3 对应的数码管显示来自段信号端的数据，其他 7 个数码管呈现关闭状态。

所以，要在 8 个数码管上显示想要的数据，就必须让 8 个选通信号 k1～k8 分别被单独选通，同时在段信号输入口加上该对应数码管要显示的数据——随着选通信号的扫变，就能实现扫描显示的目的。

8 位数码管实物如下图：

1.1 8 位数码实物图

扫描频率的两端约束

扫描太慢（低于 50Hz）会看到明显的闪烁；扫描太快则每位点亮时间过短、亮度下降。本实验用 16 位扫描计数器的最高 3 位 cnt_scan[15:13] 分频选位：50MHz 时钟下计数器每 8×65536 ≈ 0.5ms 换一位，8 位轮完一轮约 1ms 多，整轮刷新率近千 Hz，远高于 50Hz，显示稳定无闪烁。

Verilog 实现

实现的动态数码管显示模块如下，可在第 3 个 always 里修改需要显示的数字（原文 OCR 排版有破碎，已按原文信号定义、段码表与逻辑补全还原）：

module sm_scan(
    clk,
    rst,
    dataout,
    en
);
input clk, rst;
output[6:0] dataout;
output[7:0] en; // COM 使能输出
reg[6:0] dataout; // 各段数据输出
reg[7:0] en;
reg[15:0] cnt_scan; // 扫描频率计数器
reg[3:0] dataout_buf;
always @(posedge clk or negedge rst)
begin
    if (!rst)
    begin // 低电平复位
    cnt_scan <= 0;
    end
    else
    begin
    cnt_scan <= cnt_scan + 1'b1;
    end
end
always @(cnt_scan) // 段码扫描频率
begin
    case(cnt_scan[15:13])
    3'b000 :    en = 8'b1111_1110;
    3'b001 :    en = 8'b1111_1101;
    3'b010 :    en = 8'b1111_1011;
    3'b011 :    en = 8'b1111_0111;
    3'b100 :    en = 8'b1110_1111;
    3'b101 :    en = 8'b1101_1111;
    3'b110 :    en = 8'b1011_1111;
    3'b111 :    en = 8'b0111_1111;
    default :    en = 8'b1111_1110;
    endcase
end
always@(en) //对应 COM 信号给出各段数据，段码
begin
    case(en)
    8'b1111_1110:    dataout_buf=1;//输入将要显示的数字
    8'b1111_1101:    dataout_buf=2;
    8'b1111_1011:    dataout_buf=3;
    8'b1111_0111:    dataout_buf=4;
    8'b1110_1111:    dataout_buf=5;
    8'b1101_1111:    dataout_buf=6;
    8'b1011_1111:    dataout_buf=7;
    8'b0111_1111:    dataout_buf=8;
    default:    dataout_buf=0;
    endcase
end
always@(dataout_buf)
begin
case(dataout_buf) //将要显示的数字译成段码
4'b0000 : dataout <= 7'b1000_000;//7'b0111_111;
4'b0001 : dataout <= 7'b1111_001;//7'b0000_110;
4'b0010 : dataout <= 7'b0100_100;//7'b1011_011;
4'b0011 : dataout <= 7'b0110_000;//7'b1001_111;
4'b0100 : dataout <= 7'b0011_001;//7'b1100_110;
4'b0101 : dataout <= 7'b0010_010;//7'b1101_101;
4'b0110 : dataout <= 7'b0000_010;//7'b1111_101;
4'b0111 : dataout <= 7'b1111_000;//7'b0000_111;
4'b1000 : dataout <= 7'b0000_000;//7'b1111_111;
4'b1001 : dataout <= 7'b0010_000;//7'b1101_111;
4'b1010 : dataout <= 7'b0001_000;//7'b1110_111;
4'b1011 : dataout <= 7'b0000_011;//7'b1111_100;
4'b1100 : dataout <= 7'b1000_110;//7'b0111_001;
4'b1101 : dataout <= 7'b0100_001;//7'b1011_110;
4'b1110 : dataout <= 7'b0000_110;//7'b1111_001;
4'b1111 : dataout <= 7'b0001_110;//7'b1110_001;
default : dataout <= 7'b1000_000;//7'b0111_111;
endcase
end
endmodule

这个模块是「三段接力」结构，数据流为：cnt_scan → en（位选）→ dataout_buf（当前该显示什么数字）→ dataout（段码）：

① 扫描计数器（时序逻辑）

cnt_scan 是 16 位自由计数器，每个时钟加 1。它的低 13 位实际上在做高速分频，而最高 3 位 cnt_scan[15:13] 每 2^13 = 8192 个时钟才进位一次——用它的值来轮流选位，相当于自带了合适的人工扫描节拍。

② 位选轮播（组合逻辑）

case(cnt_scan[15:13]) 把 3 位值翻译成 8 位位选 en：1111_1110 选中第 0 位（最低位数码管），1111_1101 选中第 1 位……0111_1111 选中第 7 位。任一时刻只有一位为 0（低电平使能），8 个状态循环轮转——这就是「轮流点亮」的物理实现。

③ 位选→显示值映射（组合逻辑）

case(en) 决定当前被选通的那一位显示什么数字：选中第 0 位显示 1、第 1 位显示 2……第 7 位显示 8。改这个 always 里的数字，就能让每位显示你想要的内容——原文注释特意指出「可在第 3 个 always 里修改需要显示的数字」，实际指的就是这里的映射表。

④ 数字→段码译码（组合逻辑）

case(dataout_buf) 把 0~F 译成 7 位段码。段码表与七段译码器实验完全相同（共阳、亮 = 低电平、g 在最高位 a 在最低位）。每行注释里 // 后面还保留了一份极性相反的段码（如 7'b0111_111），那是共阴极数码管的版本——如果你的板子是共阴管，直接换成注释里的值即可，这是原文贴心埋好的对照表。

这里没有用时钟驱动的状态机

注意后三个 always 的敏感列表分别是 @(cnt_scan)、@(en)、@(dataout_buf)——全是组合逻辑。扫描的「时序感」完全来自 cnt_scan 这个唯一的时序件。初学者常犯的错误是把位选也写成 always @(posedge clk) 的状态机，反而增加复杂度。记住这个分工：计数靠时序，翻译靠组合。

修改显示内容的三种玩法

① 把位选→数字映射改成每位显示同一个数字，可验证扫描通路是否正常；② 把映射改成 dataout_buf = ~en[0] 之类的算式要慎重——先在纸上演算每个 en 值对应的结果；③ 想显示多位不同数字（如倒计时 87654321），就在第 3 个 case 里逐位填好你想要的值，段码译码层完全不用动。

引脚约束

set_pin_assignment { clk } { LOCATION = R7; IOSTANDARD = LVCMOS33; PULLTYPE = PULLUP; }
set_pin_assignment { dataout[0] } { LOCATION = C15; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8; PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { dataout[1] } { LOCATION = C16; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8; PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { dataout[2] } { LOCATION = B6; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8; PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { dataout[3] } { LOCATION = A5; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8; PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { dataout[4] } { LOCATION = B5; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8; PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { dataout[5] } { LOCATION = A8; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8; PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { dataout[6] } { LOCATION = A7; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8; PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { en[0] } { LOCATION = D11; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8; PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { en[1] } { LOCATION = E11; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8; PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { en[2] } { LOCATION = F10; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8; PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { en[3] } { LOCATION = C13; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8; PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { en[4] } { LOCATION = E10; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8; PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { en[5] } { LOCATION = E12; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8; PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { en[6] } { LOCATION = E16; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8; PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { en[7] } { LOCATION = F16; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8; PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { rst } { LOCATION = A2; IOSTANDARD = LVCMOS33; PULLTYPE = PULLUP; }

整理成表格：

信号	FPGA 引脚	说明
clk	R7	50MHz 系统时钟
rst	A2	复位按键，低电平复位
dataout[0]~[6]	C15, C16, B6, A5, B5, A8, A7	七段段选（a~g）
en[0]~[7]	D11, E11, F10, C13, E10, E12, E16, F16	8 位位选（COM 使能）

段选、位选引脚与静态数码管实验完全一致——它们物理上接的就是同一组数码管。

下载测试

按标准流程编译布线并下载（注意 DIG/LED 拨动开关拨到数码管一侧）：

正常现象：8 位数码管「同时」显示 1、2、3、4、5、6、7、8 各位不同——实际上是每约 0.5ms 只有一位在亮，扫描速度快于人眼分辨极限。用手机相机对准数码管拍摄，画面里可能会看到某一位比其他位亮，或者出现滚动条纹——相机快门「冻结」了扫描过程，恰好反向证明了动态扫描的存在。

现象与总结

本实验的关键收获：

动态扫描三板斧：扫描计数器（定节拍）→ 位选轮播（选通一位）→ 段码跟随（给对数据）。三者时序上严丝合缝，位选切换的同一时刻段码必须已经就位；
视觉暂留阈值：整轮扫描频率 > 50Hz 就看不到闪烁。这是所有「分时复用」硬件设计（数码管、点阵屏、VGA）的通用法则；
组合/时序的分工：本模块只有 cnt_scan 一个时序件，其余都是组合翻译层。结构越简单，时序越可控；
共阳/共阴对照：段码表每行注释里藏着共阴版本，换板子时按极性选用。

至此，数码管三部曲（七段译码 → 静态显示 → 动态扫描）完成。你已经具备了做时钟、计分牌、倒计时器等数码管应用的全套基础。

自测

自测

动态扫描为什么能让「依次点亮」看起来像「同时点亮」？扫描频率需要满足什么条件？

代码里用 cnt_scan[15:13] 而不是整个 cnt_scan 来做位选，为什么？这样扫描一轮大约需要多少时间？

位选 en = 8'b1111_0111 时，哪一位数码管被点亮？此时 dataout_buf 的值是多少？

段码表中每行注释里保存的第二套段码（如 1 对应 7'b0000_110）是给什么类型数码管用的？它和主表的关系是什么？

如果把扫描计数器换成一个 3 位计数器直接驱动位选（不经过 16 位分频），显示会出现什么现象？

想让 8 位数码管显示「HELLO—0」这样的自定义字符组合，需要修改代码的哪一部分？段码译码层需要改吗？

description	用高速轮流点亮 8 位数码管的动态扫描技术，让每位显示不同数字，理解视觉暂留与扫描频率的设计要点。
tags	移远fpga竞赛安路, 官方demo实验

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