第22节 国产安路FPGA UART应用实例代码讲解

        上一个小节主要是介绍了UART通讯的协议格式等进行的原理性的介绍，这一个小节主要对UART的代码进行讲解、仿真和板上验证进行介绍说明。在代码设计过程当中，充分的考虑了UART通讯的稳定性和功能接口参数灵活可配置的特点。本节通过实例实现上位机串口助手发送数据，FPGA板卡接收数据并环回发送给上位机显示。

        一、UART模块介绍

         UART模块分为两个部分，一个部分是实现发送功能，另一个部分实现接收功能。UART通过顶层包含发送和接收功能做出一个FIFO接口，有利于项目内的模块的拆分，较少耦合性。具体框架如下所示。

        二、UART发送功能代码介绍  

        通过上一个小节可以知道UART的通信格式，发送一帧数据有起始位、数据位、校验位、停止位共同组成，如下图示。

        在编写代码之前， 我们首先要确定串口通信的数据格式及波特率。在这里我们选择串口比较常用的一种模式， 数据位为 8 位， 停止位为 1 位，无校验位，波特率为 115200bps。则传输一帧数据的时序图如下图所示：

 

        UART数据线空闲状态常态是高电平，通过发送1bit的起始位0，开始进入数据发送状态，低位数据先发送，如果有校验位发送校验位，如果没有校验位发送停止位，停止位一般可以发送1bit，1.5bit和2bit的高电平。

        UART发送模块的端口定义如下表所示。

        具体的端口定义如下图所示：

        发送功能的状态机跳转代码如下所示，通过判断start_i高电平启动状态机，跳转到s_start状态，开始发送1bit的起始位，跳转到数据发送状态，当按照发送数据bit位数达到用户设置的位数时，判断如果配置了发送奇偶校验位则跳转到奇偶校验状态，如果没有配置奇偶校位，跳转到发送停止位，由于停止位存在0.5bit的情况，所以这里对波特率进行了倍频，达到用于设置的停止位bit数量要求状态机跳转到s_wait状态最后回到空闲，等待第二次触发。

产生波特率计数器使能信号如下图所示：

波特率产生计数器

二倍频波特率信号产生

发送完成信号产生

发送数据计数器

停止位计数器

发送bit位，大小端数据发送控制。

奇偶校验位生成

发送数据端口控制

三、UART接收功能代码介绍

         UART接收功能代码的端口如下下表。

        UART接收部分状态机跳转代码如下图所示，在空闲状态判断是否存在起始信号，如果存在起始信号，跳转到接收起始位状态，接收完成起始位信号，跳转到接收数据状态，达到用户设置的数据位数量，判断用户是否需要接收奇偶校验位，如果设置奇偶校验位跳到接收奇偶校验的状态接收奇偶校验位，否则接收停止位。

        在实验室条件下，串口发送的数据通常是稳定的，在接收时取数据中点作为接收数据。
在工业环境下，干扰较多，信号中通常会产生冲激，用取数据中点的方法容易受到脉冲信号的影响，故用采样的方法保证接收数据的准确性。 

        16倍频波特率产生，用于进行16次信号采样，如下图示。

        采样计数器和实际波特率的产生，如下图所示。

        采样值进行累加，如果在16次采样中值大于7代表是0（因为rxd前面进行了取反），其他情况代表接收到了1，具体代码如下图所示。

接收数据bit有效值产生具体代码，如下图所示。

起始位检测信号产生，如下图所示。

0.5bit控制位信号产生，代码如下图所示。

开始bit位计数器，如下图所示。

数据接收串转并控制代码，如下图所示。

生成接收奇偶校验控制位，判断奇偶校验是否正确，如下图所示：

接收数据和数据有效输出控制，如下图所示。

四、UART顶层代码介绍

        UART的顶层主要例化接收和发送子模块，发送数据读取fifo功能，当发送fifo的非空去数据发送到UART的发送模块，当UART发送模块发送完成一个数据时取fifo下一个数据具体代码，如下图所示。

五、总结

         这一节主要介绍了UART的发送、接收代码和顶层的具体代码，由于篇幅太长，下一节我们主要介绍UART模块的仿真和板上调试。