原創(chuàng)聲明：

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適用于板卡型號(hào)：

PGL22G/PGL12G

1. 文檔簡(jiǎn)介

本文主要講解如何編寫(xiě)FPGA串口通信的收發(fā)程序，在程序中使用了狀態(tài)機(jī)，是學(xué)習(xí)狀態(tài)機(jī)的重要實(shí)驗(yàn)。

2. 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

• 開(kāi)發(fā)板

• 串口調(diào)試助手

3. 實(shí)驗(yàn)原理

3.1 串口通信簡(jiǎn)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(fā)送。UART是一個(gè)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議來(lái)分包括RS-232-C、RS-422、RS485等。RS-232-C、RS-422與RS-485標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)接口的電氣特性做出規(guī)定，不涉及接插件、電纜或協(xié)議。

開(kāi)發(fā)板的串口通信通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口方式，主要是解決很多人電腦不帶串口接口的問(wèn)題，所以這里不涉及到電氣協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，用法和TTL電平串口類似。FPGA芯片使用2個(gè)IO口和USB轉(zhuǎn)串口芯片CP2102相連

開(kāi)發(fā)板USB轉(zhuǎn)串口部分

3.2 異步串口通信協(xié)議

消息幀從一個(gè)低位起始位開(kāi)始，后面是7個(gè)或8個(gè)數(shù)據(jù)位，一個(gè)可用的奇偶位和一個(gè)或幾個(gè)高位停止位。接收器發(fā)現(xiàn)開(kāi)始位時(shí)它就知道數(shù)據(jù)準(zhǔn)備發(fā)送，并嘗試與發(fā)送器時(shí)鐘頻率同步。如果選擇了奇偶校驗(yàn)，UART就在數(shù)據(jù)位后面加上奇偶位。奇偶位可用來(lái)幫助錯(cuò)誤校驗(yàn)。在接收過(guò)程中，UART從消息幀中去掉起始位和結(jié)束位，對(duì)進(jìn)來(lái)的字節(jié)進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，并將數(shù)據(jù)字節(jié)從串行轉(zhuǎn)換成并行。UART 傳輸時(shí)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(shuō)沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)是高電平，利用這個(gè)特點(diǎn)我們可以準(zhǔn)確接收數(shù)據(jù)，當(dāng)一個(gè)下降沿事件發(fā)生時(shí)，我們認(rèn)為將進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸。

3.3 關(guān)于波特率

常見(jiàn)的串口通信波特率有2400 、9600、115200等，發(fā)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?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)，包括起始位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位。假如通信波特率設(shè)定為9600，那么一個(gè)數(shù)據(jù)位的時(shí)間長(zhǎng)度是1/9600秒。

4. 程序設(shè)計(jì)

4.1 接收模塊設(shè)計(jì)

串口接收模塊是個(gè)參數(shù)化可配置模塊，參數(shù)“CLK_FRE”定義接收模塊的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，單位是Mhz，參數(shù)“BAUD_RATE”是波特率。接收狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如下：

“S_IDLE”狀態(tài)為空閑狀態(tài)，上電后進(jìn)入“S_IDLE”，如果信號(hào)“rx_pin”有下降沿，我們認(rèn)為是串口的起始位，進(jìn)入狀態(tài)“S_START”,等一個(gè)BIT時(shí)間起始位結(jié)束后進(jìn)入數(shù)據(jù)位接收狀態(tài)“S_REC_BYTE”,本實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)位設(shè)計(jì)是8位，接收完成以后進(jìn)入“S_STOP”狀態(tài)，在“S_STOP”沒(méi)有等待一個(gè)BIT周期，只等待了半個(gè)BIT時(shí)間，這是因?yàn)槿绻却艘粋€(gè)周期，有可能會(huì)錯(cuò)過(guò)下一個(gè)數(shù)據(jù)的起始位判斷，最后進(jìn)入“S_DATA”狀態(tài)，將接收到的數(shù)據(jù)送到其他模塊。在這個(gè)模塊我們提一點(diǎn)：為了滿足采樣定理，在接受數(shù)據(jù)時(shí)每個(gè)數(shù)據(jù)都在波特率計(jì)數(shù)器的時(shí)間中點(diǎn)進(jìn)行采樣，以避免數(shù)據(jù)出錯(cuò)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(shí)驗(yàn)沒(méi)有設(shè)計(jì)奇偶校驗(yàn)位。

串口接收模塊端口

4.2 發(fā)送模塊設(shè)計(jì)

發(fā)送模式設(shè)計(jì)和接收模塊相似，也是使用狀態(tài)機(jī)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如下：

上電后進(jìn)入“S_IDLE”空閑狀態(tài)，如果有發(fā)送請(qǐng)求，進(jìn)入發(fā)送起始位狀態(tài)“S_START”,起始位發(fā)送完成后進(jìn)入發(fā)送數(shù)據(jù)位狀態(tài)“S_SEND_BYTE”,數(shù)據(jù)位發(fā)送完成后進(jìn)入發(fā)送停止位狀態(tài)“S_STOP”,停止位發(fā)送完成后又進(jìn)入空閑狀態(tài)。在數(shù)據(jù)發(fā)送模塊中，從頂層模塊寫(xiě)入的數(shù)據(jù)直接傳遞給寄存器‘tx_reg’，并通過(guò)‘tx_reg’寄存器模擬串口傳輸協(xié)議在狀態(tài)機(jī)的條件轉(zhuǎn)換下進(jìn)行數(shù)據(jù)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(fā)送模塊端口

4.3 測(cè)試程序

測(cè)試程序設(shè)計(jì)FPGA為1秒向串口發(fā)送一次“HELLO ALINX\r\n”,不發(fā)送期間，如果接受到串口數(shù)據(jù)，直接把接收到的數(shù)據(jù)送到發(fā)送模塊再返回?！癨r\n”,在這里和C語(yǔ)言中表示一致，都是回車(chē)換行。

測(cè)試程序分別例化了發(fā)送模塊和接收模塊，同時(shí)將參數(shù)傳遞進(jìn)去，波特率設(shè)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(gè)串口接收的激勵(lì)程序vtf_uart_test.v文件，用來(lái)仿真uart串口接收。這里向串口模塊的uart_rx發(fā)送0xa3的數(shù)據(jù), 每位的數(shù)據(jù)按115200的波特率發(fā)送，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位和1位停止位。

仿真的結(jié)果如下，當(dāng)程序接收到8位數(shù)據(jù)的時(shí)候，rx_data_valid有效，rx_data[7:0]的數(shù)據(jù)位a3。

6. 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

由于開(kāi)發(fā)板的串口使用USB轉(zhuǎn)串口芯片，首先要安裝串口驅(qū)動(dòng)程序，正確安裝驅(qū)動(dòng)狀態(tài)如下圖所示（當(dāng)然要連接串口的USB到電腦)。如果沒(méi)有正確連接請(qǐng)參考本文附錄“串口驅(qū)動(dòng)的安裝”。

串口驅(qū)動(dòng)正常的狀態(tài)

從圖中可以看出系統(tǒng)給串口分配的串口號(hào)是“COM3”，串口號(hào)的分配是系統(tǒng)完成的，自動(dòng)分配情況下每臺(tái)電腦可能會(huì)有差異，筆者這里是“COM3”，使用串口號(hào)時(shí)要根據(jù)自己的分配情況選擇。

打開(kāi)串口調(diào)試，端口選擇“COM3”（根據(jù)自己情況選擇），波特率設(shè)置115200，檢驗(yàn)位選None，數(shù)據(jù)位選8，停止位選1，然后點(diǎn)擊“打開(kāi)串口”。如果找不到這個(gè)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(diào)試”。

打開(kāi)串口以后，每秒可收到“HELLO ALINX”，在發(fā)送區(qū)輸入框輸入要發(fā)送的文字，點(diǎn)擊“手動(dòng)發(fā)送”，可以看到接收到自己發(fā)送的字符。

7. 附錄

7.1 串口驅(qū)動(dòng)安裝

沒(méi)有安裝驅(qū)動(dòng)插入usb轉(zhuǎn)串口以后設(shè)備管理器下會(huì)出現(xiàn)如下情況：

驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)\USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)”目錄下找到，如果操作系統(tǒng)是32位的用戶雙擊CP210x_VCPInstaller_x86.exe開(kāi)始安裝; 如果操作系統(tǒng)是64位的用戶雙擊CP210x_VCPInstaller_x64.exe開(kāi)始安裝;

驅(qū)動(dòng)安裝成功后，再打開(kāi)“設(shè)備管理器”， 打開(kāi)“端口(COM和LPT)”，會(huì)出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的COM Number。分配的編號(hào)由系統(tǒng)決定。