FPGA开发——（1）串口通信UART_fpga和上位机串口通讯

作者：Guff_9hys | 2024-08-09 07:26:51

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fpga和上位机串口通讯

1.简介

异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）简称UART。
在发送数据时，将并行数据转换为串行数据来传输；在接收数据时，将接收的串行数据转换为并行数据。

UART和SPI、IIC不同，UART是异步通信接口，异步通信的接收方不知道数据什么时候送达，因此发送方和接收方要约定传输的波特率。

2.波特率、比特率

波特率：每秒钟传输码元的数量，用符号“Baud”表示，单位“波特每秒（Bps）”。串口常见的波特率有4800、9600、115200等，本节实验选用9600的波特率。
比特率：每秒钟传输比特的数量，单位“每秒比特数（bps）”。
比特率=波特率 * 单个调制状态对应的二进制位数，串口通信是采用二进制调制方式，因此串口的比特率为=9600Bps *1bit= 9600bps

串口发送、接收1bit数据的时间为一个波特，即1/9600秒，如果用FPGA的50Mhz(周期为20ns)的系统时钟来计数，需要计数cnt=50 000 000 / 9600 ≈ 5208个系统时钟周期，即每个bit数据之间在50Mhz的时钟频率下计数5208次。

3.RS232通信协议

1.RS232是UART的一种，没有时钟线，只有两根数据线rx和tx，两根线都是1bit位宽。
例：发送十进制数198，它的二进制为11000110，串行通信发送方只需要一根数据线就可以传输11000110。
2.rx位宽1bit，PC机通过串口调试助手往FPGA发数据，rx从低位往高位一次接收，最后在FPGA里拼接成8bit数据。
3.tx位宽1bit，FPGA通过串口调试助手往PC机发8bit，FPGA把8bit数据通过tx从最低位到最高位依次发送，最后上位机通过串口助手把一位一位的数据拼接成8bit数据。
4.帧结构，即一帧一帧发送和接收数据，每一帧除了8bit数据还有1bit起始位和1bit停止位。
在这里插入图片描述

4.代码

module  uart_rx
#(
    parameter   UART_BPS    =   'd9600,         //串口波特率
    parameter   CLK_FREQ    =   'd50_000_000    //时钟频率
)
(
    input   wire            sys_clk     ,   //系统时钟50MHz
    input   wire            sys_rst_n   ,   //全局复位
    input   wire            rx          ,   //串口接收数据

    output  reg     [7:0]   po_data     ,   //串转并后的8bit数据
    output  reg             po_flag         //串转并后的数据有效标志信号
);

//********************************************************************//
//****************** Parameter and Internal Signal *******************//
//********************************************************************//
//localparam    define
localparam  BAUD_CNT_MAX    =   CLK_FREQ/UART_BPS   ; //5208

//reg   define
reg         rx_reg1     ;
reg         rx_reg2     ;
reg         rx_reg3     ;
reg         start_nedge ;
reg         work_en     ;
reg [12:0]  baud_cnt    ;
reg         bit_flag    ;
reg [3:0]   bit_cnt     ;
reg [7:0]   rx_data     ;
reg         rx_flag     ;

//********************************************************************//
//***************************** Main Code ****************************//
//********************************************************************//
//插入两级寄存器进行数据同步，用来消除亚稳态
//rx_reg1:第一级寄存器，寄存器空闲状态复位为1
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        rx_reg1 <= 1'b1;
    else
        rx_reg1 <= rx; //第一个寄存器用于系统同步，表示数据位于系统时钟下

//rx_reg2:第二级寄存器，寄存器空闲状态复位为1
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        rx_reg2 <= 1'b1;
    else
        rx_reg2 <= rx_reg1;

//rx_reg3:第三级寄存器和第二级寄存器共同构成下降沿检测
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        rx_reg3 <= 1'b1;
    else
        rx_reg3 <= rx_reg2;

//start_nedge:检测到下降沿时start_nedge产生一个时钟的高电平
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        start_nedge <= 1'b0;
    else    if((~rx_reg2) && (rx_reg3)) //rx_reg2低电平 && rx_reg3高电平
        start_nedge <= 1'b1;
    else
        start_nedge <= 1'b0;

//work_en:接收数据工作使能信号
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        work_en <= 1'b0;
    else    if(start_nedge == 1'b1)
        work_en <= 1'b1;
    else    if((bit_cnt == 4'd8) && (bit_flag == 1'b1))
        work_en <= 1'b0;

//baud_cnt:波特率计数器计数，从0计数到BAUD_CNT_MAX - 1
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        baud_cnt <= 13'b0;
    else    if((baud_cnt == BAUD_CNT_MAX - 1) || (work_en == 1'b0))
        baud_cnt <= 13'b0;
    else    if(work_en == 1'b1)
        baud_cnt <= baud_cnt + 1'b1;

//bit_flag:当baud_cnt计数器计数到中间数时采样的数据最稳定，
//此时拉高一个标志信号表示数据可以被取走
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        bit_flag <= 1'b0;
    else    if(baud_cnt == BAUD_CNT_MAX/2 - 1)
        bit_flag <= 1'b1;
    else
        bit_flag <= 1'b0;

//bit_cnt:有效数据个数计数器，当8个有效数据（不含起始位和停止位）
//都接收完成后计数器清零
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        bit_cnt <= 4'b0;
    else    if((bit_cnt == 4'd8) && (bit_flag == 1'b1))
        bit_cnt <= 4'b0;
    else    if(bit_flag ==1'b1)
         bit_cnt <= bit_cnt + 1'b1;

//rx_data:输入数据进行移位
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        rx_data <= 8'b0;
    else    if((bit_cnt >= 4'd1)&&(bit_cnt <= 4'd8)&&(bit_flag == 1'b1))
        rx_data <= {rx_reg3, rx_data[7:1]};

//rx_flag:输入数据移位完成时rx_flag拉高一个时钟的高电平
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        rx_flag <= 1'b0;
    else    if((bit_cnt == 4'd8) && (bit_flag == 1'b1))
        rx_flag <= 1'b1;
    else
        rx_flag <= 1'b0;

//po_data:输出完整的8位有效数据
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        po_data <= 8'b0;
    else    if(rx_flag == 1'b1)
        po_data <= rx_data;

//po_flag:输出数据有效标志（比rx_flag延后一个时钟周期，为了和po_data同步）
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        po_flag <= 1'b0;
    else
        po_flag <= rx_flag;

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module  uart_tx
#(
    parameter   UART_BPS    =   'd9600,         //串口波特率
    parameter   CLK_FREQ    =   'd50_000_000    //时钟频率
)
(
     input   wire            sys_clk     ,   //系统时钟50MHz
     input   wire            sys_rst_n   ,   //全局复位
     input   wire    [7:0]   pi_data     ,   //模块输入的8bit数据
     input   wire            pi_flag     ,   //并行数据有效标志信号
 
     output  reg             tx              //串转并后的1bit数据
);

//********************************************************************//
//****************** Parameter and Internal Signal *******************//
//********************************************************************//
//localparam    define
localparam  BAUD_CNT_MAX    =   CLK_FREQ/UART_BPS   ;

//reg   define
reg [12:0]  baud_cnt;
reg         bit_flag;
reg [3:0]   bit_cnt ;
reg         work_en ;

//********************************************************************//
//***************************** Main Code ****************************//
//********************************************************************//
//work_en:接收数据工作使能信号
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
        if(sys_rst_n == 1'b0)
            work_en <= 1'b0;
        else    if(pi_flag == 1'b1)
            work_en <= 1'b1;
        else    if((bit_flag == 1'b1) && (bit_cnt == 4'd9))
            work_en <= 1'b0;

//baud_cnt:波特率计数器计数，从0计数到BAUD_CNT_MAX - 1
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
        if(sys_rst_n == 1'b0)
            baud_cnt <= 13'b0;
        else    if((baud_cnt == BAUD_CNT_MAX - 1) || (work_en == 1'b0))
            baud_cnt <= 13'b0;
        else    if(work_en == 1'b1)
            baud_cnt <= baud_cnt + 1'b1;

//bit_flag:当baud_cnt计数器计数到1时让bit_flag拉高一个时钟的高电平
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
        if(sys_rst_n == 1'b0)
            bit_flag <= 1'b0;
        else    if(baud_cnt == 13'd1)
            bit_flag <= 1'b1;
        else
            bit_flag <= 1'b0;

//bit_cnt:数据位数个数计数，10个有效数据（含起始位和停止位）到来后计数器清零
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        bit_cnt <= 4'b0;
    else    if((bit_flag == 1'b1) && (bit_cnt == 4'd9))
        bit_cnt <= 4'b0;
    else    if((bit_flag == 1'b1) && (work_en == 1'b1))
        bit_cnt <= bit_cnt + 1'b1;

//tx:输出数据在满足rs232协议（起始位为0，停止位为1）的情况下一位一位输出
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
        if(sys_rst_n == 1'b0)
            tx <= 1'b1; //空闲状态时为高电平
        else    if(bit_flag == 1'b1)
            case(bit_cnt)
                0       : tx <= 1'b0;
                1       : tx <= pi_data[0];
                2       : tx <= pi_data[1];
                3       : tx <= pi_data[2];
                4       : tx <= pi_data[3];
                5       : tx <= pi_data[4];
                6       : tx <= pi_data[5];
                7       : tx <= pi_data[6];
                8       : tx <= pi_data[7];
                9       : tx <= 1'b1;
                default : tx <= 1'b1;
            endcase

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module  rs232
(
    input   wire    sys_clk     ,   //系统时钟50MHz
    input   wire    sys_rst_n   ,   //全局复位
    input   wire    rx          ,   //串口接收数据

    output  wire    tx              //串口发送数据
);

//********************************************************************//
//****************** Parameter and Internal Signal *******************//
//********************************************************************//
//parameter define
parameter   UART_BPS    =   20'd9600        ,   //比特9600
            CLK_FREQ    =   26'd50_000_000  ;   //时钟频率

//wire  define
wire    [7:0]   po_data;
wire            po_flag;

//********************************************************************//
//*************************** Instantiation **************************//
//********************************************************************//
//------------------------ uart_rx_inst ------------------------
uart_rx
#(
    .UART_BPS    (UART_BPS  ),  //串口波特率
    .CLK_FREQ    (CLK_FREQ  )   //时钟频率
)
uart_rx_inst
(
    .sys_clk    (sys_clk    ),  //input             sys_clk
    .sys_rst_n  (sys_rst_n  ),  //input             sys_rst_n
    .rx         (rx         ),  //input             rx
            
    .po_data    (po_data    ),  //output    [7:0]   po_data
    .po_flag    (po_flag    )   //output            po_flag
);

//------------------------ uart_tx_inst ------------------------
uart_tx
#(
    .UART_BPS    (UART_BPS  ),  //串口波特率
    .CLK_FREQ    (CLK_FREQ  )   //时钟频率
)
uart_tx_inst
(
    .sys_clk    (sys_clk    ),  //input             sys_clk
    .sys_rst_n  (sys_rst_n  ),  //input             sys_rst_n
    .pi_data    (po_data    ),  //input     [7:0]   pi_data
    .pi_flag    (po_flag    ),  //input             pi_flag
                
    .tx         (tx         )   //output            tx
);

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