FPGA基础设计(三):UART串口通信

串口通信也是一个基础实验,是FPGA与电脑、单片机、DSP通信的一种最简单的方案,对通信速率要求不高时可以选择UART通信。您可能已经知道UART时序的控制、波特率的配置等方面的内容,但在实际使用时还是会遇到一些问题,比如如何才能恰当的和其它模块进行衔接?为什么时序明明没问题,却无法和其它控制单元成功通信?本文致力于全面解析在设计UART通信时的思路方法。

UART通信协议

  UART通信的一帧一般由11到12位数据组成。1bit的起始位,检测为低电平表示数据开始传输;紧接着8bits的数据;然后是1bit的奇偶校验位,可以是奇校验或者偶校验;最后是1bit或2bits的停止位,必须为高电平,表示一个字符数据的传输结束。

UART通信协议

其中校验位是可选的,用来检验数据是否传输正确。如果有校验位,则需要保证收发双方选择同样的一种检验方式。奇校验就是保证数据中的1是奇数,比如如果8bit数据中有3bits的1,校验位置0;如果有4bits的1,校验位置1。偶校验就是保证数据中的1是偶数。

波特率的配置

  波特率表示数据传输的速率,单位bps,表示位每秒。比如9600bps就表示1s可以传输9600bits的数据。异步收发没有时钟打拍来控制数据的传输,就需要保证收发双方在波特率设置上的一致。确保接收数据的完整性。

  程序中通常使用16倍速率对UART通信时序进行采样,则UART通信所需的时钟就是16*bps,如9600bps通信所需的驱动时钟大小就是16*9600=153.6kHz。程序中可以使用一个计数器对系统时钟分频产生UART通信时钟。
// 分频生成UART通信时钟
always @(posedge clk50 or negedge rst_n)
if (!rst_n) begin
clkout <=1'b0;
cnt<=0;
end
else if(cnt == 16'd162) begin //近似50%占空比
clkout <= 1'b1;
cnt <= cnt + 16'd1;
end
else if(cnt == 16'd325) begin //50M/(16*9600)
clkout <= 1'b0;
cnt <= 16'd0;
end
else cnt <= cnt + 16'd1;

UART发送数据时序设计

  通常我们程序中都会设计一个UART发送数据的开始信号,对这个开始信号的处理方法和“FPGA基础设计(二):PS2键盘控制及短按、长按”这篇文章对按键有效信号处理的方法相同,采用一级寄存,然后进行逻辑判断,从而产生一个时钟宽度的有效信号。那么当检测到有效信号时便可以启动UART发送数据的过程。
// 检测发送命令wrsig的上升沿
always @(posedge clk)
begin
wrsigbuf <= wrsig;
wrsigrise <= (~wrsigbuf) & wrsig;
end

// 启动串口发送程序
always @(posedge clk)
if (wrsigrise && (~idle)) //当发送命令有效且线路为空闲时,启动新的数据发送进程
send <= 1'b1;
else if(cnt == 8'd168) //一帧数据发送结束
send <= 1'b0;

UART是按单bit发送的,因此在控制时序时可以使用一个计数器控制,在对应的计数位送出对应的数据。由于我们使用的是16倍时钟采样,因此每个数据位之间的计数间隔便是16,一次完整的发送过程如下所示:
// 串口发送程序, 16个时钟发送一个bit
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if (!rst_n) begin
tx <= 1'b0;
idle <= 1'b0;
cnt<=8'd0;
presult<=1'b0;
end
else if(send == 1'b1) begin
case(cnt) //产生起始位
8'd0: begin
tx <= 1'b0;
idle <= 1'b1;
cnt <= cnt + 8'd1;
end
8'd16: begin
tx <= datain[0]; //发送数据0位
presult <= datain[0]^paritymode;
idle <= 1'b1;
cnt <= cnt + 8'd1;
end
8'd32: begin
tx <= datain[1]; //发送数据1位
presult <= datain[1]^presult;
idle <= 1'b1;
cnt <= cnt + 8'd1;
end
8'd48: begin
tx <= datain[2]; //发送数据2位
presult <= datain[2]^presult;
idle <= 1'b1;
cnt <= cnt + 8'd1;
end
8'd64: begin
tx <= datain[3]; //发送数据3位
presult <= datain[3]^presult;
idle <= 1'b1;
cnt <= cnt + 8'd1;
end
8'd80: begin
tx <= datain[4]; //发送数据4位
presult <= datain[4]^presult;
idle <= 1'b1;
cnt <= cnt + 8'd1;
end
8'd96: begin
tx <= datain[5]; //发送数据5位
presult <= datain[5]^presult;
idle <= 1'b1;
cnt <= cnt + 8'd1;
end
8'd112: begin
tx <= datain[6]; //发送数据6位
presult <= datain[6]^presult;
idle <= 1'b1;
cnt <= cnt + 8'd1;
end
8'd128: begin
tx <= datain[7]; //发送数据7位
presult <= datain[7]^presult;
idle <= 1'b1;
cnt <= cnt + 8'd1;
end
8'd144: begin
tx <= presult; //发送奇偶校验位
presult <= datain[0]^paritymode;
idle <= 1'b1;
cnt <= cnt + 8'd1;
end
8'd160: begin
tx <= 1'b1; //发送停止位
idle <= 1'b1;
cnt <= cnt + 8'd1;
end
8'd168: begin
tx <= 1'b1;
idle <= 1'b0; //一帧数据发送结束
cnt <= cnt + 8'd1;
end
default: begin
cnt <= cnt + 8'd1;
end
endcase
end
else begin
tx <= 1'b1;
cnt <= 8'd0;
idle <= 1'b0;
end
end

UART接收数据时序设计

  UART接收数据的过程和发送数据的过程是恰好相反的。区别只在于UART发送的开始信号和发送数据端tx是从FPGA内部的其它模块产生的;而UART接收的开始信号和接收数据段rx送来的数据来自其它设备,因此需要对外部送来的信号进行监测。

  一帧数据的开始位是低电平有效,因此当检测到rx线上的下降沿时就表示数据通信的开始:
always @(posedge clk) //检测线路的下降沿
begin
rxbuf <= rx;
rxfall <= rxbuf & (~rx);
end

// 启动串口接收程序
always @(posedge clk)
if (rxfall && (~idle)) //检测到线路的下降沿并且原先线路为空闲,启动接收数据进程
receive <= 1'b1;
else if(cnt == 8'd168) //接收数据完成
receive <= 1'b0;

接收数据的过程和发送一样,用一个计数器来控制,这里不再赘述。

发送与接收数据的打包

  UART一次通信只能完成一帧,即传输一个8bits的数据,然而我们通常需要很多帧来组成一次完整的通信。如一种简单常用的气象采集站通信格式为:“FF(开始帧)+雨量+温度+湿度+气压+风速+风向+CRC校验+FE(结束帧)”。这种情况下可以建立一组寄存器专门存储发送或接收的数据。比如发送时可以做如下处理:
/********************************************/
//存储待发送的串口信息
/********************************************/
reg [7:0] uart_ad [7:0]; //存储发送字符
always @(clk)
begin //定义发送的字符
if(uart_stat==3'b000) begin
uart_ad[0]<=8'hFF;
uart_ad[1]<=rain;
uart_ad[2]<=temp;
uart_ad[3]<=humi;
uart_ad[4]<=winddir;
uart_ad[5]<=windspeed;
uart_ad[6]<=CRC16;
uart_ad[7]<=8'hFE;
end
end

接收的原理类似,只不过接收是在通信过程中接收。这样我们使用一个计数器控制,并检测串口通信的状态,依次将这组寄存器中的值按发送顺序传入UART发送数据模块即可。

  另外需要做好的一件事就是串口模块与其它模块的衔接。我们在建立好上述的寄存器组之后,只要把数据来源填充到寄存器组中对应的位置即可。但如果数据是从RAM、FIFO等模块中来的,在串口通信时就应该对使能信号、FIFO空满信号等做出合理的判断和控制,就像“FPGA数据采集-传输-显示系统(一):1.2/50μs冲击电压测量与显示”和“FPGA数据采集-传输-显示系统(二):基于FPGA的温度采集和以太网传输”两篇文章中做的一样。

文章来源:FPGADesigner的博客
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