FPGA—UART實(shí)驗(yàn)

1、串口通信設(shè)計(jì)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、熟練使用ISE設(shè)計(jì)工具；2、理解串口傳輸協(xié)議。理解采用“自頂向下”設(shè)計(jì)思路，分解模塊的方法；3、在ISE使用Verilog HDL設(shè)計(jì)串口接收模塊，完成仿真、下載。二、 實(shí)驗(yàn)原理1、串口傳輸協(xié)議概述設(shè)計(jì)完成異步串口通信通用異步收發(fā)是一種典型的異步串口通信，簡(jiǎn)稱UART。串口通信時(shí)序如圖1所示。圖1 通用異步收發(fā)時(shí)序圖由圖1可以看出，在沒(méi)有數(shù)據(jù)傳送時(shí)，通信線會(huì)一直處于高電平，即邏輯1狀態(tài)；當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送時(shí)，數(shù)據(jù)幀以起始位開(kāi)始，以停止位結(jié)束。起始位為低電平，即邏輯0狀態(tài)；停止位為高電平，即邏輯1狀態(tài)，其持續(xù)時(shí)間可選為1位、1.5位或2位（本次設(shè)計(jì)選擇持續(xù)時(shí)間1位）。接收

2、端在接收到停止位后，知道一幀數(shù)據(jù)已經(jīng)傳完，轉(zhuǎn)為等待數(shù)據(jù)接收狀態(tài)；只要再接收到0狀態(tài)，即為新一幀數(shù)據(jù)的起始狀態(tài)。數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)位低位（LSB）在前，高位(MSB)在后，根據(jù)不同的編碼規(guī)則，數(shù)據(jù)位可能為5位、6位、7位或者8位(本次設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)位定位8位)。校驗(yàn)位也可根據(jù)需要選擇奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)或者不要校驗(yàn)（本次設(shè)計(jì)不要校驗(yàn)位）。2、串口時(shí)序分析本次FPGA系統(tǒng)時(shí)鐘是40MHZ，則一位數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間相當(dāng)于(1/9600)/(1/40M）=4167個(gè)40MHZ時(shí)鐘周期。設(shè)一幀數(shù)據(jù)位數(shù)=1（開(kāi)始位）+8（數(shù)據(jù)位）+1（校驗(yàn)位）+1（結(jié)束位）=11位，所以傳輸一幀數(shù)據(jù)的時(shí)間是11*1/9600=0.3333s。為

3、了穩(wěn)定采集串口數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)，需要在每位數(shù)據(jù)的“中間時(shí)刻”采樣，由此，需要在每位數(shù)據(jù)開(kāi)始時(shí)刻對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，若系統(tǒng)時(shí)鐘是40MHZ，則在計(jì)數(shù)至4167/2=2084時(shí)采樣此時(shí)刻的數(shù)值。3、數(shù)據(jù)顯示PC通過(guò)串口發(fā)送的數(shù)據(jù)應(yīng)該在下載板上有所顯示，以此來(lái)確定發(fā)送成功與否。所以實(shí)驗(yàn)中用到8個(gè)數(shù)碼管以二進(jìn)制的方式來(lái)顯示通過(guò)串口助手發(fā)送的兩個(gè)十六進(jìn)制的數(shù)據(jù)。4、本次實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)一共有20個(gè)端口輸入信號(hào)：CLK系統(tǒng)時(shí)鐘；RSTn復(fù)位信號(hào)；Rx_EN_Sig通信使能信號(hào)。Rx_Pin_In串口數(shù)據(jù)輸入。輸出信號(hào)：SEG7:0數(shù)碼管段選信號(hào)；CON7:0數(shù)碼管位選信號(hào)。三、 實(shí)驗(yàn)步驟1、整個(gè)系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)的模塊是：幀

4、監(jiān)測(cè)開(kāi)始模塊（detect_module）、數(shù)據(jù)位中心定位模塊（Rx_Rbps_module）、數(shù)據(jù)裝載模塊（Rx_Control_module）和數(shù)碼管顯示模塊（display_module）。接下來(lái)進(jìn)行進(jìn)行分模塊設(shè)計(jì)。2、幀監(jiān)測(cè)開(kāi)始模塊（detect_module）檢測(cè)串行輸入數(shù)據(jù)RX_Pin_In的值，判斷是否開(kāi)始傳送一幀的數(shù)據(jù)。并將判斷結(jié)果H2L_Sig輸送給數(shù)據(jù)裝載模塊（Rx_Control_module）。模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2：圖2 幀監(jiān)測(cè)開(kāi)始模塊3、數(shù)據(jù)位中心定位模塊（Rx_Rbps_module）為了穩(wěn)定采集串口數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)，需要在每位數(shù)據(jù)的“中間時(shí)刻”采樣，所以需要一個(gè)該模塊用來(lái)

5、檢測(cè)每一位數(shù)據(jù)的持續(xù)時(shí)間的“中間時(shí)刻”。該模塊原理為：當(dāng)接收到數(shù)據(jù)裝載模塊傳來(lái)的一個(gè)“當(dāng)前數(shù)據(jù)有效(Count_Sig = 1)”的信號(hào)時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù)，一直計(jì)數(shù)到該數(shù)據(jù)持續(xù)時(shí)間的一半時(shí)便發(fā)送一個(gè)確認(rèn)信號(hào)(BPS_CLK = 1)給數(shù)據(jù)裝載模塊，提示其開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3：圖3 數(shù)據(jù)位中心定位模塊4、數(shù)據(jù)裝載模塊（Rx_Control_module）該模塊用來(lái)接收自串口發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行判斷，將8位數(shù)據(jù)裝載到寄存器中。并且在每接收完一幀數(shù)據(jù)時(shí)給顯示模塊一個(gè)確認(rèn)信號(hào)（RX_Done_Sig=1），讓數(shù)碼管更新顯示。模塊結(jié)構(gòu)圖如圖4：圖4 數(shù)據(jù)裝載模塊5、數(shù)碼管顯示模塊（display_

6、module）在接收到來(lái)自數(shù)據(jù)裝載模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)接收完畢的信號(hào)之后，將接收到的數(shù)據(jù)按位顯示到每一位數(shù)碼管上。模塊結(jié)構(gòu)圖如圖5：圖5 數(shù)碼管顯示模塊6、頂層模塊（top）對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行仿真驗(yàn)證，確認(rèn)無(wú)誤后。例化各個(gè)模塊并將它們連接到一起。則系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6：圖6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖7、根據(jù)板子鎖定引腳，并生成下載文件。CLK為系統(tǒng)40M時(shí)鐘即是P82腳；RSTn復(fù)位信號(hào)選擇撥碼開(kāi)關(guān)1，即P20腳；Rx_EN_Sig使能信號(hào)選擇撥碼開(kāi)關(guān)2，即P26腳；Rx_Pin_In為串口0的RX端，即P14；CON0:7數(shù)碼管位選信號(hào)鎖定對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管共陽(yáng)端引腳，LED0:7即選擇對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管腳鎖定即可。四、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

7、1、數(shù)據(jù)裝載模塊（Rx_Control_module）與數(shù)據(jù)位中心定位模塊（Rx_Rbps_module）連接仿真測(cè)試激勵(lì)文件的編寫(xiě)應(yīng)該首先產(chǎn)生40M的CLK時(shí)鐘信號(hào)，然后復(fù)位信號(hào)無(wú)效，使能信號(hào)有效，幀開(kāi)始信號(hào)H2L_Sig有效。然后再每104166個(gè)時(shí)鐘給Rx_Pin_In一個(gè)值，該激勵(lì)文件給定的值為：1001 0101。圖7 數(shù)據(jù)裝載波形圖由圖可知，模塊實(shí)現(xiàn)了依次將數(shù)據(jù)1001 0101裝載到寄存器Rx_Data7:0里。2、數(shù)碼管顯示模塊（display_module）激勵(lì)文件的編寫(xiě)應(yīng)該為首先產(chǎn)生一個(gè)40M的CLK時(shí)鐘信號(hào)，然后復(fù)位信號(hào)無(wú)效，幀數(shù)據(jù)接收完畢即Rx_Done_Sig = 1

8、。給一個(gè)Rx_Data7:0賦一個(gè)值，看是否顯示正確，即通過(guò)CON7:0和SEG7:0聯(lián)立觀察。圖8 數(shù)碼管顯示由圖形可知，給Rx_Data7:0賦值為1111 1101。在看CON7:0和SEG7:0，數(shù)碼管1顯示的為1，數(shù)碼管2顯示的為0，數(shù)碼管3數(shù)碼管7都顯示的為1，故模塊設(shè)計(jì)無(wú)誤。3、下載到實(shí)驗(yàn)板上面后的結(jié)果將撥動(dòng)開(kāi)關(guān)0和1都撥動(dòng)到上方，即為高電平時(shí)。數(shù)碼管初始顯示為0。連接好串口線，打開(kāi)串口助手，打開(kāi)串口以十六進(jìn)制的方式發(fā)送兩位數(shù)據(jù)如11。此時(shí)下載板上的數(shù)碼管顯示為00010001，即是十六進(jìn)制的數(shù)據(jù)11對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制下的數(shù)據(jù)。圖9 數(shù)碼管顯示4、VGA下載實(shí)驗(yàn)效果下載后，將板子的VG

9、A線連接顯示器上面。顯示器顯示如圖10所示，撥動(dòng)撥碼開(kāi)關(guān)0，顯示器顯示另一張圖形如圖11所示。圖10 VGA顯示圖11 VGA顯示五、 思考題1、簡(jiǎn)述幀開(kāi)始監(jiān)測(cè)模塊（detect_module），數(shù)據(jù)位中心定位模塊（rx_bps_module），數(shù)據(jù)裝載模塊（rx_control_module）的功能各是什么？這三個(gè)模塊是如何配合實(shí)現(xiàn)了串口數(shù)據(jù)的接收？答：幀開(kāi)始檢測(cè)模塊的功能是檢測(cè)該數(shù)據(jù)傳送的位數(shù)；數(shù)據(jù)位中心定位模塊的功能是從數(shù)據(jù)的穩(wěn)定狀態(tài)提取數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)裝載模塊的功能是將取得的完整的數(shù)據(jù)傳輸給FPGA顯示。2、如果串口比特率改為115200 bps，代碼應(yīng)該做怎樣的修改？module rx_b

10、ps_module(CLK, RSTn,Count_Sig,BPS_CLK );input CLK;input RSTn;input Count_Sig;output BPS_CLK;reg 11:0Count_BPS;always ( posedge CLK or negedge RSTn )if( !RSTn ) Count_BPS <= 8'd0;else if( Count_BPS = 8'd173 )Count_BPS <= 8'd0;else if( Count_Sig ) Count_BPS <= Count_BPS + 1'b1

11、; else Count_BPS <= 8'd0;assign BPS_CLK = ( Count_BPS = 12'd1041 ) ? 1'b1 : 1'b0;endmodule3、如果要設(shè)計(jì)串口數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，該如何設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)要寫(xiě)出設(shè)計(jì)系統(tǒng)任務(wù)書(shū)（包括設(shè)計(jì)目標(biāo)，功能模塊劃分，子模塊功能描述等）答：串口數(shù)據(jù)發(fā)送模塊設(shè)計(jì)目的：通過(guò)在FPGA板上輸入數(shù)據(jù)，然后在電腦的串口端顯示數(shù)據(jù)；功能模塊劃分：按鍵（作為數(shù)據(jù)的輸入），數(shù)碼管（顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)用于比較電腦端接受的數(shù)據(jù)是否正確），狀態(tài)接受（處于某個(gè)狀態(tài)時(shí)數(shù)據(jù)的狀態(tài)），分頻模塊。六、 代碼1、頂層模塊代碼：timesc

12、ale 1ns / 1psmodule top(CLK,RSTn,Rx_EN_Sig,Rx_Pin_In,SEG,CON);input CLK;input RSTn;input Rx_EN_Sig;input Rx_Pin_In;output 7:0 SEG;output 7:0 CON;wire H2L_Sig;wire Count_Sig;wire BPS_CLK;wire Rx_Done_Sig;wire 7:0 Rx_Data;detect_module detect(.CLK(CLK),.RSTn(RSTn),.Rx_Pin_In(Rx_Pin_In),.H2L_Sig(H2L_Si

13、g);Rx_Control_module Rx_Control(.CLK(CLK),.RSTn(RSTn).H2L_Sig(H2L_Sig),.Rx_Pin_In(Rx_Pin_In),.BPS_CLK(BPS_CLK), .Rx_EN_Sig(Rx_EN_Sig),.Count_Sig(Count_Sig),.Rx_Data(Rx_Data),.Rx_Done_Sig(Rx_Done_Sig);Rx_bps_module Rx_bps(.CLK(CLK),.RSTn(RSTn),.Count_Sig(Count_Sig),.BPS_CLK(BPS_CLK);display_module di

14、splay(.CLK(CLK),.RSTn(RSTn),.Rx_Done_Sig(Rx_Done_Sig),.Rx_Data(Rx_Data),.SEG(SEG),.CON(CON);endmodule2、幀監(jiān)測(cè)開(kāi)始模塊（detect_module）：timescale 1ns / 1ps/幀開(kāi)始監(jiān)測(cè)模塊（detect_module）module detect_module(CLK,RSTn,Rx_Pin_In,H2L_Sig);input CLK;input RSTn; /復(fù)位信號(hào)input Rx_Pin_In; /串行輸入數(shù)據(jù)RX_Pin_Inoutput H2L_Sig; reg H2L

15、_F1;reg H2L_F2; always ( posedge CLK or negedge RSTn )if( !RSTn )beginH2L_F1 <= 1'b1;H2L_F2 <= 1'b1;endelsebeginH2L_F1 <= Rx_Pin_In;H2L_F2 <= H2L_F1; endassign H2L_Sig = H2L_F2 & !H2L_F1;endmodule3、數(shù)據(jù)位中心定位模塊（Rx_Rbps_module）：timescale 1ns / 1ps/數(shù)據(jù)位中心定位模塊（Rx_Rbps_module）module

16、Rx_bps_module(CLK,RSTn,Count_Sig,BPS_CLK);input CLK;input RSTn; /復(fù)位信號(hào) RSTn,當(dāng)RSTn=0，系統(tǒng)復(fù)位input Count_Sig; /串口數(shù)據(jù)幀開(kāi)始確認(rèn)信號(hào)：Count_Sig,當(dāng) Count_Sig=1， /表示串口輸入幀開(kāi)始時(shí)刻，持續(xù)一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期output BPS_CLK; /BPS_CLK，當(dāng)計(jì)數(shù)至每一位的中間位置，BPS_CLK=1， /提示信號(hào)采集時(shí)間到，否則不進(jìn)行信號(hào)采集reg 12:0Count_BPS;parameter12:0 BPS = 13'd4167; /2083*2(40Mhz)

17、always ( posedge CLK or negedge RSTn )if( !RSTn )Count_BPS <= 13'd0; /計(jì)數(shù)else if( Count_BPS = BPS )Count_BPS <= 13'd0;else if( Count_Sig )Count_BPS <= Count_BPS + 1'b1;elseCount_BPS <= 13'd0;assign BPS_CLK = ( Count_BPS = BPS/2 ) ? 1'b1 : 1'b0; endmodule4、數(shù)據(jù)裝載模塊（Rx

18、_Control_module）：timescale 1ns / 1ps/數(shù)據(jù)裝載模塊（Rx_Control_module）module Rx_Control_module(CLK,RSTn,H2L_Sig,Rx_Pin_In,BPS_CLK,Rx_EN_Sig,Count_Sig,Rx_Data,Rx_Done_Sig);input CLK;input RSTn; /復(fù)位信號(hào) RSTn,當(dāng)RSTn=0時(shí)，系統(tǒng)復(fù)位input H2L_Sig; /幀開(kāi)始信號(hào)H2L_Sig,當(dāng)H2L_Sig=1，表示一幀信號(hào)開(kāi)始input Rx_EN_Sig; /串口接收使能信號(hào) RX_En_Sig,/當(dāng)RX_E

19、n_Sig=1，系統(tǒng)正常工作。反正不接收數(shù)據(jù)input Rx_Pin_In; /串口數(shù)據(jù)輸入信號(hào)： RX_Pin_Ininput BPS_CLK; /位中心定位信號(hào)：BPS_CLKoutput Count_Sig; /數(shù)據(jù)位有效信號(hào) Count_Sig,/當(dāng)Count_Sig=1，表示有效位傳輸output 7:0 Rx_Data;/裝載好的串口數(shù)據(jù)：RX_Data,位寬為8bitsoutput Rx_Done_Sig; /串口數(shù)據(jù)接收結(jié)束信號(hào)： RX_Done_Sig， /當(dāng)RX_Done_Sig=1表示一幀串口數(shù)據(jù)接收完畢reg 3:0i = 4'b0;reg 7:0rData =

20、 8'd0;reg isCount = 1'b0;reg isDone = 1'b0;always ( posedge CLK or negedge RSTn )if( !RSTn )begini <= 4'd0;rData <= 8'd0;isCount <= 1'b0;isDone <= 1'b0;endelse if(Rx_EN_Sig )case ( i )4'd0 :if( H2L_Sig ) begin i <= i + 1'b1; isCount <= 1'b1;

21、end4'd1 :if( BPS_CLK ) begin i <= i + 1'b1; end4'd2, 4'd3, 4'd4, 4'd5, 4'd6, 4'd7, 4'd8, 4'd9 :if( BPS_CLK ) begin i<=i+1'b1;rDatai-2<=Rx_Pin_In;end4'd10 :if( BPS_CLK ) begin i <= i + 1'b1; end4'd11 :if( BPS_CLK ) begin i <= i +

22、1'b1; end4'd12 :begin I<= i + 1'b1; isDone<= 1'b1; isCount<= 1'b0; end4'd13 :begin i <= 1'b0; isDone <= 1'b0; endendcaseassign Count_Sig = isCount;assign Rx_Data = rData;assign Rx_Done_Sig = isDone;endmodule5、數(shù)碼管顯示模塊（display_module）：timescale 1ns / 1ps/

23、顯示模塊（display_module）module display_module(CLK,RSTn,Rx_Done_Sig,Rx_Data,SEG,CON);input CLK;input RSTn;input Rx_Done_Sig; /串口數(shù)據(jù)接收結(jié)束信號(hào)： RX_Done_Sig， /當(dāng)RX_Done_Sig=1表示一幀串口數(shù)據(jù)接收完畢input7:0 Rx_Data; /裝載好的串口數(shù)據(jù)：RX_Data,位寬為8bitsoutput7:0 SEG;output7:0 CON;reg7:0 SEG;reg7:0 CON;reg23:0 CNT;reg2:0 dig;always (po

24、sedge CLK or negedge RSTn)if(!RSTn) begindig <= 3'b000;CNT <= 24'b0;endelse beginif(CNT = 24'd25000)beginCNT <= 24'b0;if(dig = 3'd7)dig <= 3'd0;elsedig <= dig + 1'b1;endelseCNT <= CNT + 1'b1;endreg 7:0 Data = 8'b00000000; /數(shù)據(jù)寄存器/Rx_Done_Sig信號(hào)上升沿來(lái)

25、到時(shí)將串口接收到的數(shù)據(jù)送給Dataalways (posedge Rx_Done_Sig) Data <= Rx_Data;always (posedge CLK or negedge RSTn)if(!RSTn) beginSEG <= 8'b1000000;CON <= 8'b11111111;endelsecase(dig)3'd0 : begin SEG<= display(Data0);CON <= 8'b1111_1110;end3'd1 : begin SEG<= display(Data1);CON <= 8'b1111_1101;end3'd2 : begin SEG<= display(Data2);CON <= 8'b1111_1011;end3'd3 : begin SEG<= display(Data3);CON <= 8'b1111_0111;end3'd4 : begin SEG<= display(Data4);CON <= 8'b1110_1111;end3'd5 : begin SEG<= display(Data5