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串口通信也是一個基礎實驗，是FPGA與電腦、單片機、DSP通信的一種最簡單的方案，對通信速率要求不高時可以選擇UART通信。您可能已經(jīng)知道UART時序的控制、波特率的配置等方面的內(nèi)容，但在實際使用時還是會遇到一些問題，比如如何才能恰當?shù)暮推渌K進行銜接？為什么時序明明沒問題，卻無法和其它控制單元成功通信？本文致力于全面解析在設計UART通信時的思路方法。
UART通信協(xié)議
UART通信的一幀一般由11到12位數(shù)據(jù)組成。1bit的起始位，檢測為低電平表示數(shù)據(jù)開始傳輸；緊接著8bits的數(shù)據(jù)；然后是1bit的奇偶校驗位，可以是奇校驗或者偶校驗；最后是1bit或2bits的停止位，必須為高電平，表示一個字符數(shù)據(jù)的傳輸結束。
其中校驗位是可選的，用來檢驗數(shù)據(jù)是否傳輸正確。如果有校驗位，則需要保證收發(fā)雙方選擇同樣的一種檢驗方式。奇校驗就是保證數(shù)據(jù)中的1是奇數(shù)，比如如果8bit數(shù)據(jù)中有3bits的1，校驗位置0；如果有4bits的1，校驗位置1。偶校驗就是保證數(shù)據(jù)中的1是偶數(shù)。
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波特率的配置
波特率表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，單位bps，表示位每秒。比如9600bps就表示1s可以傳輸9600bits的數(shù)據(jù)。異步收發(fā)沒有時鐘打拍來控制數(shù)據(jù)的傳輸，就需要保證收發(fā)雙方在波特率設置上的一致。確保接收數(shù)據(jù)的完整性。
程序中通常使用16倍速率對UART通信時序進行采樣，則UART通信所需的時鐘就是16*bps，如9600bps通信所需的驅動時鐘大小就是16*9600=153.6kHz。程序中可以使用一個計數(shù)器對系統(tǒng)時鐘分頻產(chǎn)生UART通信時鐘。
// 分頻生成UART通信時鐘
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發(fā)送數(shù)據(jù)時序設計
通常我們程序中都會設計一個UART發(fā)送數(shù)據(jù)的開始信號，對這個開始信號的處理方法和“FPGA基礎設計（二）：PS2鍵盤控制及短按、長按”這篇文章對按鍵有效信號處理的方法相同，采用一級寄存，然后進行邏輯判斷，從而產(chǎn)生一個時鐘寬度的有效信號。那么當檢測到有效信號時便可以啟動UART發(fā)送數(shù)據(jù)的過程。
// 檢測發(fā)送命令wrsig的上升沿
always @（posedge clk）
begin
wrsigbuf 《= wrsig;
wrsigrise 《= （~wrsigbuf） & wrsig;
end
// 啟動串口發(fā)送程序
always @（posedge clk）
if （wrsigrise && （~idle）） //當發(fā)送命令有效且線路為空閑時，啟動新的數(shù)據(jù)發(fā)送進程
send 《= 1‘b1;
else if（cnt == 8’d168） //一幀數(shù)據(jù)發(fā)送結束
send 《= 1‘b0;
UART是按單bit發(fā)送的，因此在控制時序時可以使用一個計數(shù)器控制，在對應的計數(shù)位送出對應的數(shù)據(jù)。由于我們使用的是16倍時鐘采樣，因此每個數(shù)據(jù)位之間的計數(shù)間隔便是16，一次完整的發(fā)送過程如下所示：
// 串口發(fā)送程序， 16個時鐘發(fā)送一個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） //產(chǎn)生起始位
8‘d0： begin
tx 《= 1’b0;
idle 《= 1‘b1;
cnt 《= cnt + 8’d1;
end
8‘d16： begin
tx 《= datain［0］; //發(fā)送數(shù)據(jù)0位
presult 《= datain［0］^paritymode;
idle 《= 1’b1;
cnt 《= cnt + 8‘d1;
end
8’d32： begin
tx 《= datain［1］; //發(fā)送數(shù)據(jù)1位
presult 《= datain［1］^presult;
idle 《= 1‘b1;
cnt 《= cnt + 8’d1;
end
8‘d48： begin
tx 《= datain［2］; //發(fā)送數(shù)據(jù)2位
presult 《= datain［2］^presult;
idle 《= 1’b1;
cnt 《= cnt + 8‘d1;
end
8’d64： begin
tx 《= datain［3］; //發(fā)送數(shù)據(jù)3位
presult 《= datain［3］^presult;
idle 《= 1‘b1;
cnt 《= cnt + 8’d1;
end
8‘d80： begin
tx 《= datain［4］; //發(fā)送數(shù)據(jù)4位
presult 《= datain［4］^presult;
idle 《= 1’b1;
cnt 《= cnt + 8‘d1;
end
8’d96： begin
tx 《= datain［5］; //發(fā)送數(shù)據(jù)5位
presult 《= datain［5］^presult;
idle 《= 1‘b1;
cnt 《= cnt + 8’d1;
end
8‘d112： begin
tx 《= datain［6］; //發(fā)送數(shù)據(jù)6位
presult 《= datain［6］^presult;
idle 《= 1’b1;
cnt 《= cnt + 8‘d1;
end
8’d128： begin
tx 《= datain［7］; //發(fā)送數(shù)據(jù)7位
presult 《= datain［7］^presult;
idle 《= 1‘b1;
cnt 《= cnt + 8’d1;
end
8‘d144： begin
tx 《= presult; //發(fā)送奇偶校驗位
presult 《= datain［0］^paritymode;
idle 《= 1’b1;
cnt 《= cnt + 8‘d1;
end
8’d160： begin
tx 《= 1‘b1; //發(fā)送停止位
idle 《= 1’b1;
cnt 《= cnt + 8‘d1;
end
8’d168： begin
tx 《= 1‘b1;
idle 《= 1’b0; //一幀數(shù)據(jù)發(fā)送結束
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接收數(shù)據(jù)時序設計
UART接收數(shù)據(jù)的過程和發(fā)送數(shù)據(jù)的過程是恰好相反的。區(qū)別只在于UART發(fā)送的開始信號和發(fā)送數(shù)據(jù)端tx是從FPGA內(nèi)部的其它模塊產(chǎn)生的；而UART接收的開始信號和接收數(shù)據(jù)段rx送來的數(shù)據(jù)來自其它設備，因此需要對外部送來的信號進行監(jiān)測。
一幀數(shù)據(jù)的開始位是低電平有效，因此當檢測到rx線上的下降沿時就表示數(shù)據(jù)通信的開始：
always @（posedge clk） //檢測線路的下降沿
begin
rxbuf 《= rx;
rxfall 《= rxbuf & （~rx）;
end
// 啟動串口接收程序
always @（posedge clk）
if （rxfall && （~idle）） //檢測到線路的下降沿并且原先線路為空閑，啟動接收數(shù)據(jù)進程
receive 《= 1‘b1;
else if（cnt == 8’d168） //接收數(shù)據(jù)完成
receive 《= 1‘b0;
接收數(shù)據(jù)的過程和發(fā)送一樣，用一個計數(shù)器來控制，這里不再贅述。
發(fā)送與接收數(shù)據(jù)的打包
UART一次通信只能完成一幀，即傳輸一個8bits的數(shù)據(jù)，然而我們通常需要很多幀來組成一次完整的通信。如一種簡單常用的氣象采集站通信格式為：“FF（開始幀）+雨量+溫度+濕度+氣壓+風速+風向+CRC校驗+FE（結束幀）”。這種情況下可以建立一組寄存器專門存儲發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)。比如發(fā)送時可以做如下處理：
/********************************************/
//存儲待發(fā)送的串口信息
/********************************************/
reg ［7:0］ uart_ad ［7:0］; //存儲發(fā)送字符
always @（clk）
begin //定義發(fā)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
接收的原理類似，只不過接收是在通信過程中接收。這樣我們使用一個計數(shù)器控制，并檢測串口通信的狀態(tài)，依次將這組寄存器中的值按發(fā)送順序傳入UART發(fā)送數(shù)據(jù)模塊即可。
另外需要做好的一件事就是串口模塊與其它模塊的銜接。我們在建立好上述的寄存器組之后，只要把數(shù)據(jù)來源填充到寄存器組中對應的位置即可。但如果數(shù)據(jù)是從RAM、FIFO等模塊中來的，在串口通信時就應該對使能信號、FIFO空滿信號等做出合理的判斷和控制，就像“FPGA數(shù)據(jù)采集-傳輸-顯示系統(tǒng)（一）：1.2/50μs沖擊電壓測量與顯示”和“FPGA數(shù)據(jù)采集-傳輸-顯示系統(tǒng)（二）：基于FPGA的溫度采集和以太網(wǎng)傳輸”兩篇文章中做的一樣。
工商網(wǎng)監(jiān)
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