串口通信案例FPGA

2 设计目标

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用户设置串口调试助手的参数：波特率为9600；数据位为8位；无奇偶校验位；停止位为2比特；接收和发送都是16进制数。

      用户通过串口调试助手发送一个8位数据data，该8位数据data用于控制开发板上的8个LED灯。其中data[0]~data[7]分别控制LED0~LED7。当对应的数据位为0时，该LED灯保持为亮，如果对应的数据为1时，该LED保持为灭。例如，用记发送数据data=8’b10110010，发送后，开发板上的LED1、LED4、LED5和LED7保持为灭，其他保持为亮。

 

上板效果图如下图所示

3 设计实现

3.1 顶层信号

      新建目录：D:\mdy_book\uart。在该目录中，新建一个名为uart.v的文件，并用GVIM打开，开始编写代码。

      我们分析一下功能。串口调试助手发数据给FPGA，站在FPGA的角度来看，就是CH340通过控制RX信号，让RX信号根据串口时序变化，从而告知FPGA数据信号。那么FPGA工程必须有一个接口信号，命名为rx_uart。

FPGA要控制8个LED灯的亮灭，那就要8个信号，或者一个8比特的信号，命令为led。

下面表格表示了硬件电路图的连接关系。

综上所述，我们这个工程需要4个信号，时钟clk，复位rst_n，串口输入信号rx_uart和输出控制LED灯的8位信号led。

      将module的名称定义为uart。并且我们已经知道该模块有四个信号：clk、rst_n、rx_uart和dout。为此，代码如下：

 其中clk、rst_n和rx_uart是输入信号,dout是输出信号，其中clk、rst_n、rx_uart的值是0或者1，一根线即可，dout为8位位宽的，根据这些信息，我们补充输入输出端口定义。代码如下：

3.2 信号设计

      我们先分析要实现的功能，led信号控制了8个LED灯的亮灭，而具体哪些灯亮哪些灯灭，是取决于串口过来的数据。那串口过来的数据，是如何告知FPGA，并与led对应起来呢？我们可以看一下串口过来的时序。

上面波形是CH340控制的信号rx_uart。如果CH340要发送一个8位数据data，它首先会将信号rx_uart变0并持续一段时间（起启位），然后发送data[0]并持续一段时间，然后发送data[1]并持续一段时间，以此类推，发送data[7]并持续一段时间，最后CH340将rx_uart为1并持续一段时间（结束位）。这样CH340就完成了数据的发送。

       例如，CH340要发送的数据data=8’h00110001，则rx_uart的波形如下。

再考虑一下时间信息。由于波特率是9600，那么每位持续的时间是1s/9600=104166ns。将时间信息补上波形。

本开发板的晶振时钟是50Mz，104166ns/20ns 约等于5208个时钟周期。也就是说上面波形中，每个比特的持续时间约等于5208个时钟周期。需要注意的是，5208只是一个估计的大概数字，实际情况会有偏差。同时，我们还有计数这是第几个比特，用于让我们判断是开始位、数据位和停止位等。

可以看出，我们需要2个计数器，1个计数器用于计算1比特的位宽长度：5208个时钟周期，命名为cnt0；另一个用于计算有多少个比特，命名为cnt1。

      很明显cnt0每次都是数5208个，但cnt0的加1条件需要仔细分析。我们很清楚cnt0的加1区域是下面的灰度地方。

目前没有任何信号可以区分出此区域。参考至简设计法案例2的方法，设计一个信号flag_add，当其为1表示上述灰度区域，即cnt0的加1区域。

有了flag_add，我们就很明确，cnt0的加1条件是flag_add==1，数到5208下就结束。为此，可以写出cnt0的代码。

接下来思考cnt1。Cnt1用于表示数到第几比特，每间隔一个比特时间，cnt1就会加1，也就是说，每当end_cnt0时，cnt1就会加1。所以cnt1的加1条件是：end_cnt0。而cnt1一共要数9个。故可以写出cnt1的代码。

我们增加了辅导信号flag_add，现在我们来思考如何设计这个flag_add。Flag_add有2个变化点：变0和变1。Flag_add什么时候会变1呢？我们从功能上来理解一下。上电后，PC如果没有发送任何数据，rx_uart是一直保持为1。此时cnt0和cnt1也无须计数，也就是flag_add也一直保持为0。当PC要发送数据了，rx_uart就按串口时序变化，首先会发送一个开始位，即rx_uart由1变成0。FPGA看到rx_uart变1变成0后，就明白PC有数据要过来了，并且现在是开始位，此时cnt0和cnt1要计数了，也就是flag_add要变成1了。

      从功能上理解，很容易就知道当原来flag_add为0，此时收到rx_uart由1变0（下降沿）时，flag_add就变成1。关键的是，我们如何知道rx_uart变1变成0呢？