【紫光同創國產FPGA教程】【第五章】串口收發實驗

原創聲明：

本原創教程由芯驛電子科技（上海）有限公司（ALINX）創作，版權歸本公司所有，如需轉載，需授權并注明出處（http://www.alinx.com）。

適用于板卡型號：

PGL22G/PGL12G

1. 文檔簡介

本文主要講解如何編寫FPGA串口通信的收發程序，在程序中使用了狀態機，是學習狀態機的重要實驗。

2. 實驗環境

• 開發板

• 串口調試助手

3. 實驗原理

3.1 串口通信簡介

本文所述的串口指異步串行通信，異步串行是指UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），通用異步接收/發送。UART是一個并行輸入成為串行輸出的芯片，通常集成在主板上。UART包含TTL電平的串口和RS232電平的串口。 TTL電平是3.3V的，而RS232是負邏輯電平，它定義+5~+12V為低電平，而-12~-5V為高電平，MDS2710、MDS SD4、EL805等是RS232接口，EL806有TTL接口。

串行接口按電氣標準及協議來分包括RS-232-C、RS-422、RS485等。RS-232-C、RS-422與RS-485標準只對接口的電氣特性做出規定，不涉及接插件、電纜或協議。

開發板的串口通信通過USB轉串口方式，主要是解決很多人電腦不帶串口接口的問題，所以這里不涉及到電氣協議標準，用法和TTL電平串口類似。FPGA芯片使用2個IO口和USB轉串口芯片CP2102相連

開發板USB轉串口部分

3.2 異步串口通信協議

消息幀從一個低位起始位開始，后面是7個或8個數據位，一個可用的奇偶位和一個或幾個高位停止位。接收器發現開始位時它就知道數據準備發送，并嘗試與發送器時鐘頻率同步。如果選擇了奇偶校驗，UART就在數據位后面加上奇偶位。奇偶位可用來幫助錯誤校驗。在接收過程中，UART從消息幀中去掉起始位和結束位，對進來的字節進行奇偶校驗，并將數據字節從串行轉換成并行。UART 傳輸時序如下圖所示：

從波形上可以看出起始位是低電平，停止位和空閑位都是高電平，也就是說沒有數據傳輸時是高電平，利用這個特點我們可以準確接收數據，當一個下降沿事件發生時，我們認為將進行一次數據傳輸。

3.3 關于波特率

常見的串口通信波特率有2400 、9600、115200等，發送和接收波特率必須保持一致才能正確通信。波特率是指1秒最大傳輸的數據位數，包括起始位、數據位、校驗位、停止位。假如通信波特率設定為9600，那么一個數據位的時間長度是1/9600秒。

4. 程序設計

4.1 接收模塊設計

串口接收模塊是個參數化可配置模塊，參數“CLK_FRE”定義接收模塊的系統時鐘頻率，單位是Mhz，參數“BAUD_RATE”是波特率。接收狀態機狀態轉換圖如下：

“S_IDLE”狀態為空閑狀態，上電后進入“S_IDLE”，如果信號“rx_pin”有下降沿，我們認為是串口的起始位，進入狀態“S_START”,等一個BIT時間起始位結束后進入數據位接收狀態“S_REC_BYTE”,本實驗中數據位設計是8位，接收完成以后進入“S_STOP”狀態，在“S_STOP”沒有等待一個BIT周期，只等待了半個BIT時間，這是因為如果等待了一個周期，有可能會錯過下一個數據的起始位判斷，最后進入“S_DATA”狀態，將接收到的數據送到其他模塊。在這個模塊我們提一點：為了滿足采樣定理，在接受數據時每個數據都在波特率計數器的時間中點進行采樣，以避免數據出錯的情況：

//receiveserialdatabitdataalways@(posedgeclkornegedgerst_n)begin
	if(rst_n==1'b0)
		rx_bits<=8'd0;
	elseif(state?==?S_REC_BYTE?&&?cycle_cnt?==?CYCLE/2-1)
		rx_bits[bit_cnt]<=?rx_pin;
	else
		rx_bits?<=?rx_bits;end

注意：本實驗沒有設計奇偶校驗位。

串口接收模塊端口

4.2 發送模塊設計

發送模式設計和接收模塊相似，也是使用狀態機，狀態轉換圖如下：

上電后進入“S_IDLE”空閑狀態，如果有發送請求，進入發送起始位狀態“S_START”,起始位發送完成后進入發送數據位狀態“S_SEND_BYTE”,數據位發送完成后進入發送停止位狀態“S_STOP”,停止位發送完成后又進入空閑狀態。在數據發送模塊中，從頂層模塊寫入的數據直接傳遞給寄存器‘tx_reg’，并通過‘tx_reg’寄存器模擬串口傳輸協議在狀態機的條件轉換下進行數據傳送：

always@(posedgeclkornegedgerst_n)begin
	if(rst_n==1'b0)
		tx_reg<=1'b1;
	else
		case(state)
			S_IDLE,S_STOP:
				tx_reg?<=1'b1;
			S_START:
				tx_reg?<=1'b0;
			S_SEND_BYTE:
				tx_reg?<=?tx_data_latch[bit_cnt];
			default:
				tx_reg?<=1'b1;
		endcaseend	

串口發送模塊端口

4.3 測試程序

測試程序設計FPGA為1秒向串口發送一次“HELLO ALINX\r\n”,不發送期間，如果接受到串口數據，直接把接收到的數據送到發送模塊再返回?！癨r\n”,在這里和C語言中表示一致，都是回車換行。

測試程序分別例化了發送模塊和接收模塊，同時將參數傳遞進去，波特率設置為115200。

always@(posedgesys_clkornegedgerst_n)begin
	if(rst_n==1'b0)
	begin
		wait_cnt<=32'd0;
		tx_data?<=8'd0;
		state?<=?IDLE;
		tx_cnt?<=8'd0;
		tx_data_valid?<=1'b0;
	end
	else
	case(state)
		IDLE:
			state?<=?SEND;
		SEND:
		begin
			wait_cnt?<=32'd0;
			tx_data?<=?tx_str;

			if(tx_data_valid?==1'b1&&?tx_data_ready?==1'b1&&?tx_cnt?<8'd12)//Send?12?bytes?data			begin
				tx_cnt?<=?tx_cnt?+8'd1;//Send?data?counter			end
			elseif(tx_data_valid?&&?tx_data_ready)//last?byte?sent?is?complete			begin
				tx_cnt?<=8'd0;
				tx_data_valid?<=1'b0;
				state?<=?WAIT;
			end
			elseif(~tx_data_valid)
			begin
				tx_data_valid?<=1'b1;
			end
		end
		WAIT:
		begin
			wait_cnt?<=?wait_cnt?+32'd1;

			if(rx_data_valid?==1'b1)
			begin
				tx_data_valid?<=1'b1;
				tx_data?<=?rx_data;//?send?uart?received?data			end
			elseif(tx_data_valid?&&?tx_data_ready)
			begin
				tx_data_valid?<=1'b0;
			end
			elseif(wait_cnt?>=CLK_FRE*1000000)//waitfor1second				state<=?SEND;
		end
		default:
			state?<=?IDLE;
	endcaseend//combinational?logic//Send?"HELLO?ALINX\r\n"always@(*)begin
	case(tx_cnt)
		8'd0:??tx_str?<="H";
		8'd1:??tx_str?<="E";
		8'd2:??tx_str?<="L";
		8'd3:??tx_str?<="L";
		8'd4:??tx_str?<="O";
		8'd5:??tx_str?<="";
		8'd6:??tx_str?<="A";
		8'd7:??tx_str?<="L";
		8'd8:??tx_str?<="I";
		8'd9:??tx_str?<="N";
		8'd10:??tx_str?<="X";
		8'd11:??tx_str?<="\r";
		8'd12:??tx_str?<="\n";
		default:tx_str?<=8'd0;
	endcaseenduart_rx#(.CLK_FRE(CLK_FRE),.BAUD_RATE(115200))?uart_rx_inst(.clk????????????????????????(sys_clk??????????????????),.rst_n??????????????????????(rst_n????????????????????),.rx_data????????????????????(rx_data??????????????????),.rx_data_valid??????????????(rx_data_valid????????????),.rx_data_ready??????????????(rx_data_ready????????????),.rx_pin?????????????????????(uart_rx??????????????????));uart_tx#(.CLK_FRE(CLK_FRE),.BAUD_RATE(115200))?uart_tx_inst(.clk????????????????????????(sys_clk??????????????????),.rst_n??????????????????????(rst_n????????????????????),.tx_data????????????????????(tx_data??????????????????),.tx_data_valid??????????????(tx_data_valid????????????),.tx_data_ready??????????????(tx_data_ready????????????),.tx_pin?????????????????????(uart_tx??????????????????));

5. 仿真

這里我們添加了一個串口接收的激勵程序vtf_uart_test.v文件，用來仿真uart串口接收。這里向串口模塊的uart_rx發送0xa3的數據, 每位的數據按115200的波特率發送，1位起始位，8位數據位和1位停止位。

仿真的結果如下，當程序接收到8位數據的時候，rx_data_valid有效，rx_data[7:0]的數據位a3。

6. 實驗測試

由于開發板的串口使用USB轉串口芯片，首先要安裝串口驅動程序，正確安裝驅動狀態如下圖所示（當然要連接串口的USB到電腦)。如果沒有正確連接請參考本文附錄“串口驅動的安裝”。

串口驅動正常的狀態

從圖中可以看出系統給串口分配的串口號是“COM3”，串口號的分配是系統完成的，自動分配情況下每臺電腦可能會有差異，筆者這里是“COM3”，使用串口號時要根據自己的分配情況選擇。

打開串口調試，端口選擇“COM3”（根據自己情況選擇），波特率設置115200，檢驗位選None，數據位選8，停止位選1，然后點擊“打開串口”。如果找不到這個小軟件使用windows搜索功能，在黑金給的資料文件夾里搜索“串口調試”。

打開串口以后，每秒可收到“HELLO ALINX”，在發送區輸入框輸入要發送的文字，點擊“手動發送”，可以看到接收到自己發送的字符。

7. 附錄

7.1 串口驅動安裝

沒有安裝驅動插入usb轉串口以后設備管理器下會出現如下情況：

驅動程序的安裝文件可以在我們提供的資料里的“軟件工具及驅動\USB轉串口驅動”目錄下找到，如果操作系統是32位的用戶雙擊CP210x_VCPInstaller_x86.exe開始安裝; 如果操作系統是64位的用戶雙擊CP210x_VCPInstaller_x64.exe開始安裝;

驅動安裝成功后，再打開“設備管理器”， 打開“端口(COM和LPT)”，會出現對應的COM Number。分配的編號由系統決定。