fpga—uart實驗

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1、串口通信設計一、實驗目的1、熟練使用ISE設計工具；2、理解串口傳輸協(xié)議。理解采用“自頂向下”設計思路，分解模塊的方法；3、在ISE使用VerilogHDL設計串口接收模塊，完成仿真、下載。二、實驗原理1、串口傳輸協(xié)議概述設計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，簡稱UART。串口通信時序如圖1所示。圖1通用異步收發(fā)時序圖由圖1可以看出，在沒有數(shù)據(jù)傳送時，通信線會一直處于高電平，即邏輯1狀態(tài)；當有數(shù)據(jù)傳送時，數(shù)據(jù)幀以起始位開始，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)時間可選為1

2、位、1.5位或2位（本次設計選擇持續(xù)時間1位）。接收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(本次設計數(shù)據(jù)位定位8位)。校驗位也可根據(jù)需要選擇奇校驗、偶校驗或者不要校驗（本次設計不要校驗位）。2、串口時序分析串口通訊常用“波特率”表述串口傳輸速率，常用的參數(shù)有9600bps和115200bps等。在硬件傳輸角度看，波特率表征了傳輸一位數(shù)據(jù)所需要的時間。例如：

3、波特率是9600bps，傳輸一位數(shù)據(jù)的時間是1/9600=0.0001041666666667s；本次FPGA系統(tǒng)時鐘是40MHZ，則一位數(shù)據(jù)傳輸時間相當于(1/9600)/(1/40M）=4167個40MHZ時鐘周期。設一幀數(shù)據(jù)位數(shù)=1（開始位）+8（數(shù)據(jù)位）+1（校驗位）+1（結(jié)束位）=11位，所以傳輸一幀數(shù)據(jù)的時間是11*1/9600=0.0011458333333333333333333333s。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“中間時刻”采樣，由此，需要在每位數(shù)據(jù)開始時刻對時鐘進行計數(shù)，若系統(tǒng)時鐘是40MHZ，

4、則在計數(shù)至4167/2=2084時采樣此時刻的數(shù)值。3、數(shù)據(jù)顯示PC通過串口發(fā)送的數(shù)據(jù)應該在下載板上有所顯示，以此來確定發(fā)送成功與否。所以實驗中用到8個數(shù)碼管以二進制的方式來顯示通過串口助手發(fā)送的兩個十六進制的數(shù)據(jù)。4、本次實驗的設計一共有20個端口輸入信號：CLK——系統(tǒng)時鐘；RSTn——復位信號；Rx_EN_Sig——通信使能信號。Rx_Pin_In——串口數(shù)據(jù)輸入。輸出信號：SEG[7:0]——數(shù)碼管段選信號；CON[7:0]——數(shù)碼管位選信號。一、實驗步驟1、整個系統(tǒng)主要設計的模塊是：幀監(jiān)測開始模塊（detect_module

5、）、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）。接下來進行進行分模塊設計。2、幀監(jiān)測開始模塊（detect_module）檢測串行輸入數(shù)據(jù)RX_Pin_In的值，判斷是否開始傳送一幀的數(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)測開始模塊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“中間時刻”采樣，所以

6、需要一個該模塊用來檢測每一位數(shù)據(jù)的持續(xù)時間的“中間時刻”。該模塊原理為：當接收到數(shù)據(jù)裝載模塊傳來的一個“當前數(shù)據(jù)有效(Count_Sig==1)”的信號時開始計數(shù)，一直計數(shù)到該數(shù)據(jù)持續(xù)時間的一半時便發(fā)送一個確認信號(BPS_CLK==1)給數(shù)據(jù)裝載模塊，提示其開始進行數(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）該模塊用來接收自串口發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并進行判斷，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)時給顯示模塊一個確認信號（RX_Done_Sig=1），讓數(shù)碼管更新顯示。

7、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_module）在接收到來自數(shù)據(jù)裝載模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)接收完畢的信號之后，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）對各個模塊進行仿真驗證，確認無誤后。例化各個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時鐘即是P82腳；RSTn復位信號選擇撥碼開關(guān)1，即P20腳；Rx_EN_Sig使能信號選擇撥碼開關(guān)2，即P26腳；Rx_Pin_In為串口0的R

8、X端，即P14；CON[0:7]數(shù)碼管位選信號鎖定對應的數(shù)碼管共陽端引腳，LED[0:7]即選擇對應的數(shù)碼管腳鎖定即可。一、實驗結(jié)果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_Rbp