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|  V1.0  |  2020-02-26  |  gingko  |  初次建立  | 

===== 实验十六：串口通信实验——基于FPGA实现UART通信 =====

==== 一、 实验目的与意义 ====

  - 掌握UART协议及实现方法。
  - 掌握QuartusII的使用方法。
==== 二、 实验设备及平台 ====

  - iCore4T 双核心板。
  - iCore4T 底板（杜邦线一套）。
  - iTool3（串口TTL）。
  - Blaster（或相同功能）仿真器。
  - Micro USB线缆。
  - Keil MDK 开发平台。
  - Quartus开发平台。
  - 电脑一台。
==== 三、 实验原理 ====
  * UART（通用异步收发器）是一种通用串行数据总线，用于异步通信，可实现全双工传输和接收，是做硬件开发时常用的一种硬件接口。USART（通用同步异步收发器）在UART的基础上增加了同步功能，即USART是UART的增强型，异步通信的时候和UART没有区别。     UART通信具有两根信号线，一根用于发送数据，一根用于接收数据。然而数据的传输是按照字节进行传输的，因此在发送时需要将并行数据转换成串行数据，接收时需要将串行数据转换成并行数据。
  * UART通信传输是以帧位单位的，每帧数据有4部分构成：起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。以8位字长的串口发送数据帧为例，其帧协议如图16.1所示，从图中可以看到，初始状态时，传输线上为高电平，在持续一个波特的低电平之后，是发送的有效数据。之后是至少一个波特高电平的停止位。
{{ :icore4t:icore4t_fpga_16_1.png?direct&800 |}}
  * 在UART通信中有一个重要的参数，即波特率，它表征了串口的传输速度，表示1秒内传输的二进制位的个数，波特率越大速度越快，反之，越慢。
  * UART接线原则：RX←→TX,TX←→RX，如图16.2所示。
{{ :icore4t:icore4t_fpga_16_2.png?direct&300 |}}
==== 四、 代码讲解 ====

  * 本实验以115200波特率为例，表示1秒钟传输115200个二进制位，每位传输需要时间位1/115200s，为保证每位数据被锁存时处于稳定状态，所以尽量保证在每位的中间位置进行锁存。本实验采用的是16等分的方法，即利用高频时钟（16倍波特率，该时钟由锁相环提供）将每位数据进行16等分，同时进行计数，当计数到8时可保证时钟处于数据的中间位置，此时对数据进行锁存。本实验的整个流程：首先，通过串口调试助手发送一字节的任意数据；FPGA收到该数据后，直接将数据返还给调试助手。
  * 在整个实现过程中最主要的模块有发送模块和接收模块两个。其中接收模块主要负责接收信号线上的串行数据，将数据转换成并行数据，接收完成并产生一个接收完成标志。整个过程由状态机实现，其代码如下：
<code verilog>
/*************************************************/
//接收模块
always @ (posedge pll_1_8m or negedge rst_n)
    begin
        if(!rst_n)
            begin
                rx_cnt <= 8'd0;;
                uart_rdata_r <= 8'd0;
                uart_rdata <= 8'd0;
                parity_bit <= 1'd0;
                receive_over_r <= 1'd0;
            end
        else 
            begin
                case(rx_cnt)
                    //判断信号线是否有变化（信号线正常情况下位高电平，有低电平表示信号有变化）
                    8'd0:begin
                        if(!rxd)
                            begin
                                rx_cnt <= rx_cnt + 1'd1;
                            end
                        else
                            begin
                                rx_cnt <= rx_cnt;
                            end             
                    end
                    //判断信号线变化是否为数据起始位（信号线稳定后仍为低电平，表示为真正的数据起始位）
                    8'd8:begin
                        if(!rxd)
                            begin
                                rx_cnt <= rx_cnt + 1'd1;
                            end
                        else
                            begin
                                rx_cnt <= 8'd0;
                            end
                    end
                    //接收数据0位
                    8'd24:begin
                        uart_rdata_r[0] <= rxd;
                        rx_cnt <= rx_cnt + 1'd1;
                    end
                    //接收数据1位
                    8'd40:begin
                        uart_rdata_r[1] <= rxd;
                        rx_cnt <= rx_cnt + 1'd1;
                    end
                    //接收数据2位
                    8'd56:begin
                        uart_rdata_r[2] <= rxd;
                        rx_cnt <= rx_cnt + 1'd1;
                    end
                    //接收数据3位
                    8'd72:begin
                        uart_rdata_r[3] <= rxd;
                        rx_cnt <= rx_cnt + 1'd1;
                    end
                    //接收数据4位
                    8'd88:begin
                        uart_rdata_r[4] <= rxd;
                        rx_cnt <= rx_cnt + 1'd1;
                    end
                    //接收数据5位
                    8'd104:begin
                        uart_rdata_r[5] <= rxd;
                        rx_cnt <= rx_cnt + 1'd1;
                    end
                    //接收数据6位
                    8'd120:begin
                        uart_rdata_r[6] <= rxd;
                        rx_cnt <= rx_cnt + 1'd1;
                    end
                    //接收数据7位
                    8'd136:begin
                        uart_rdata_r[7] <= rxd;
                        rx_cnt <= rx_cnt + 1'd1;
                    end
                    //接收校验位（无校验）
                    8'd152:begin
                        parity_bit <= rxd;
                        rx_cnt <= rx_cnt + 1'd1;
                    end
                    //接收停止位
                    8'd168:begin
                        rx_cnt <= rx_cnt + 1'd1;
                        uart_rdata <= uart_rdata_r;
                    end
                    
                    //接收完成标志拉高两个时钟
                    8'd175:begin
                        receive_over_r <= 1'd1;
                        rx_cnt <= rx_cnt + 1'd1;
                    end
                    8'd177:begin
                        receive_over_r <= 1'd0;
                        rx_cnt <= rx_cnt + 1'd1;
                    end
                    //判断是否发送完成
                    8'd178:begin
                        if(send_over)
                            begin
                                rx_cnt <= 8'd0;
                            end
                        else
                            begin
                                rx_cnt <= rx_cnt;
                            end
                    end
                    default:begin
                        rx_cnt <= rx_cnt + 1'd1;                    
                    end
                endcase
            end
    end
/*************************************************/
</code>
  * 发送模块主要负责将接收到的完整数据转换成串行数据，通过发送信号线串行输出，发送完成后产生发送完成标志。其代码如下：
<code verilog>
/*************************************************/
//发送模块
always @ (posedge pll_1_8m or negedge rst_n)
begin
    if(!rst_n)
        begin
            tx_cnt <= 8'd255;
            tx_r <= 1'd1;
            send_over_r <= 1'd0;
        end
    else 
        begin
            case(tx_cnt)
                8'd255:begin
                    if(receive_over)
                        begin
                            tx_cnt <= tx_cnt + 1'd1;
                        end
                    else
                        begin
                            tx_cnt <= tx_cnt;
                        end
                end
                8'd0:begin
                    tx_cnt <= tx_cnt + 1'd1;
                    tx_r <= 1'd0;//发送起始位
                end
                8'd16:begin                                                         
                    tx_cnt <= tx_cnt + 1'd1;
                    tx_r <= tx_data[0];//发送数据0位
                end
                8'd32:begin
                    tx_cnt <= tx_cnt + 1'd1;
                    tx_r <= tx_data[1];//发送数据1位
                end
                8'd48:begin
                    tx_cnt <= tx_cnt + 1'd1;
                    tx_r <= tx_data[2];//发送数据2位
                end
                8'd64:begin
                    tx_cnt <= tx_cnt + 1'd1;
                    tx_r <= tx_data[3];//发送数据3位
                end 
                8'd80:begin
                    tx_cnt <= tx_cnt + 1'd1;
                    tx_r <= tx_data[4];//发送数据4位
                end
                8'd96:begin
                    tx_cnt <= tx_cnt + 1'd1;
                    tx_r <= tx_data[5];//发送数据5位
                end
                8'd112:begin
                    tx_cnt <= tx_cnt + 1'd1;
                    tx_r <= tx_data[6];//发送数据6位
                end
                8'd128:begin
                    tx_cnt <= tx_cnt + 1'd1;
                    tx_r <= tx_data[7];//发送数据7位
                end
                8'd144:begin
                    tx_cnt <= tx_cnt + 1'd1;
                    tx_r <= 1'bz;       //发送校验位               
                end
                8'd160:begin
                    tx_cnt <= tx_cnt + 1'd1;
                    tx_r <= 1'd1;//发送停止位
                end 
                8'd168:begin
                    tx_cnt <= tx_cnt + 8'd1;
                    tx_r <= 1'd1;           //一帧数据发送结束   
                end
                8'd175:begin
                    tx_cnt <= tx_cnt + 8'd1;
                    send_over_r <= 1'd1;
                end
                8'd177:begin
                    tx_cnt <= 8'd255;
                    send_over_r <= 1'd0;
                end
                default:begin
                    tx_cnt <= tx_cnt + 8'd1;
                    tx_r <= tx_r;
                end
            endcase
        end
end
/*************************************************/
</code>
==== 五、 实验步骤及实验结果 ====
{{ :icore4t:icore4t_fpga_16_3.jpg?600 |}}
1、将硬件正确连接，如图16.3所示。\\ 
2、将编写好的代码进行编译，并下载到开发板中；\\ 
3、打开串口调试工具，波特率设置为115200，并打开对应端口，如图16.4所示；
{{ :icore4t:icore4t_fpga_16_4.png?direct |}}
4、在串口调试工具的发送区输入发送数据，FPGA会自动将接收到的数据发送至串口，显示在串口调试工具的接收区，如图16.5所示。
{{ :icore4t:icore4t_fpga_16_5.png?direct |}}
==== 六、 拓展实验 ====

  * 通过Signaltap观察串口通信时序。