I display a 7 segmenti sono onnipresenti nell’elettronica digitale, perfetti per visualizzare numeri e poche lettere. Tuttavia, quando un progetto richiede la visualizzazione completa dell’alfabeto e di simboli speciali, è necessario passare al livello successivo: il display a 16 segmenti.
Pilotare questi dispositivi non è banale. Mentre un display a 7 segmenti può essere gestito con decoder standard (come il 7447), un display alfanumerico a 16 segmenti richiede una logica combinatoria molto più complessa. In questo articolo, esploriamo come progettare un decoder personalizzato utilizzando un PLD (Programmable Logic Device), specificamente l’ATF16V8, sostituendo decine di porte logiche discrete con due soli chip programmati.
Perché usare un PLD per un display alfanumerico?
Un display a 16 segmenti possiede, come suggerisce il nome, 16 LED indipendenti (più il punto decimale) che permettono di formare lettere e numeri con una risoluzione superiore. Gestire 16 uscite partendo da un codice binario in ingresso (ad esempio a 5 bit) richiederebbe una quantità proibitiva di porte logiche standard (AND, OR, NOT) su breadboard.
L’utilizzo di un Dispositivo Logico Programmabile (PLD) come l’ATF16V8 offre tre vantaggi principali:
- Riduzione dello spazio: Tutta la logica è contenuta nel chip.
- Flessibilità: È possibile riprogrammare il font dei caratteri via software.
- Ottimizzazione elettrica: Questi chip gestiscono meglio le correnti necessarie per i LED.
Nota tecnica: Per questo progetto è preferibile utilizzare display ad Anodo Comune. L’ATF16V8 ha una capacità di assorbimento di corrente (sink) fino a 24mA (livello basso), ideale per accendere i segmenti, mentre può erogare solo pochi mA a livello alto.
La sfida della Tavola della Verità
Per decodificare un segnale binario a 5 bit in 16 linee di uscita, dobbiamo costruire una tavola della verità complessa. Poiché un singolo chip ATF16V8 dispone di massimo 8 uscite, il progetto richiede l’uso di due PLD in parallelo:
- PLD 1: Gestisce i segmenti da A1 a F.
- PLD 2: Gestisce i segmenti da G1 a M.
Ogni segmento del display corrisponde a una funzione booleana che deve essere minimizzata. Sebbene software come WinCUPL eseguano la minimizzazione automatica (usando algoritmi come Quine-McCluskey), comprendere la teoria sottostante con le Mappe di Karnaugh è fondamentale per risolvere eventuali limitazioni hardware.
Limiti Hardware: Il caso del numero “5”
Uno degli aspetti più interessanti della programmazione dei PLD è lo scontro con i limiti fisici del silicio. L’ATF16V8, in modalità semplice, supporta un massimo di 8 termini prodotto (Product Terms) per ogni macrocella di uscita.
Durante la progettazione, può capitare che la funzione booleana per accendere un segmento specifico in determinate condizioni sia troppo complessa e superi gli 8 termini prodotto. Un esempio classico è la rappresentazione del numero “5” o della lettera “S”. Se il font scelto è troppo complesso graficamente, la logica non “entra” nel chip.
La soluzione? Ottimizzare il design del carattere. Modificando leggermente quali segmenti si accendono per un dato simbolo (ad esempio, cambiando la forma del 5), si può semplificare la funzione logica risultante, permettendo al compilatore di rientrare nei limiti del dispositivo.
Implementazione con WinCUPL
Per programmare il chip, utilizziamo il linguaggio CUPL. Ecco alcuni passaggi chiave per una corretta implementazione:
- Definizione dei Pin: Assegnare gli ingressi (codice binario) e le uscite (segmenti del display).
- Logica Negata: Dato che usiamo display ad anodo comune, un livello logico basso (0) accende il LED. È utile definire le uscite come attive basse nel codice.
- Nomenclatura delle Variabili: Un accorgimento pratico è evitare di terminare i nomi delle variabili con numeri (es. usare
SegA_outinvece diA1) per evitare conflitti o comportamenti anomali del compilatore durante la minimizzazione.
Il codice in pratica
Il cuore del codice CUPL sarà una tavola della verità che mappa i valori esadecimali in ingresso con lo stato dei 16 segmenti. Una volta compilato, il software genererà il file JEDEC (.jed) pronto per essere caricato sui chip tramite un programmatore universale.
Conclusione e Video Tutorial
Realizzare un decoder per display a 16 segmenti è un esercizio eccellente per padroneggiare l’elettronica digitale programmabile. Ci costringe a bilanciare l’estetica (il font dei caratteri) con i vincoli rigorosi dell’hardware.
Per vedere il circuito in azione sulla breadboard, l’analisi passo-passo della minimizzazione con le mappe di Karnaugh e la programmazione dettagliata su WinCUPL, guarda il video tutorial completo.
