at指令 fpga_FPGA毕设系列 | 无线通信
在上一篇文章中,我们介绍了通过Uart实现数据的收发,在此基础上,我们进一步为小伙伴们分享如何在FPGA中通过UART配置ESP8266无线模块,最终实现无线通信系统的设计。
一、设计任务
通过手机或电脑网络调试助手给ESP8266模块发送数据,FPGA驱动ESP8266模块获取数据,并显示在底板的数码管上。
二、设计准备
硬件:小脚丫FPGA核心板、全功能学习板
软件:Quartus Prime/Lattice Diamond
三、设计结构
四、设计原理
我们所选用的ESP8266是ai-thinker公司推出的一款无线WIFI模块,可以通过配置,和单片机上的串口进行通信,利用WIFI传输数据。模块内部使用乐鑫推出的低功耗高集成度的WIFI芯片,ESP8266EX内置超低功耗32位RISK处理器,CPU最高时钟频率可达160Mhz,支持实时操作系统RTOS,和WIFI协议栈,可将高达80%的处理能力留给编程与开发。
五、设计驱动
1.ESP8266模块配置
我们将ESP8266配置成SoftAP模式,同时配置成服务器,采用下表中的指令对ESP8266模块进行配置。
序号 |
发送指令 |
作用 |
1 |
AT+CWMODE=2 |
设置模块WIFI模式为SoftAP模式 |
2 |
AT+CWSAP=”STEP_FPGA","12345678",5,4 |
设置模块的AP参数:SSID为STEP_FPGA,密码为12345678,通道号为5,加密方式为WPA_WPA2_PSK |
3 |
AT+RST |
重启生效 |
4 |
AT+CIPMUX=1 |
开启多连接 |
5 |
AT+CIPSERVER=1,8686 |
开启SERVER模式,端口设置为8686 |
我们发送的各种指令,实际发送的数据为字符对应的ASCII码,所以在FPGA程序实现的时候就是要取AT指令的ASCII码值,变量char表示AT指令数据,变量num表示AT指令中包含的字符数量(包含回车和换行),程序实现如下:
MAIN:begin if(cnt_main >=4'd5) cnt_main <=4'd5; //write mode else cnt_main <= cnt_main +1'b1; case(cnt_main) 4'd0:begin num<=8'd13; char<={"AT+CWMODE=2",16'h0d0a};state<=TXMD;end 4'd1:begin num<=8'd37; char<={"AT+CWSAP=",8'h22,"STEP_FPGA",8'h22,",",8'h22,"12345678",8'h22,",5,4",16'h0d0a};state <= TXMD;end 4'd2:begin num<=8'd08; char <={"AT+RST",16'h0d0a};state <= TXMD;end 4'd3:begin num<=8'd13; char<={"AT+CIPMUX=1",16'h0d0a};state<=TXMD;end 4'd4:begin num <=8'd21; char <={"AT+CIPSERVER=1,8686",16'h0d0a};state <= TXMD;end 4'd5:begin state <= REMD;end default: state <= IDLE; endcase end |
使用AT指令集控制ESP8266模块是UART接口,这里需要例化串口部分的UART模块进行数据传输,如下:
/uart_tx module// Baud # ( .BPS_PARA (BPS_PARA ) ) Baud_tx ( .clk (clk ), //系统时钟 12MHz .rst_n (rst_n ), //系统复位,低有效 .bps_en (bps_en_tx ), //接收时钟使能 .bps_clk (bps_clk_tx ) //接收时钟输出 ); Uart_Tx Uart_Tx_uut ( .clk (clk ), //系统时钟 12MHz .rst_n (rst_n ), //系统复位,低有效 .bps_en (bps_en_tx ), //发送时钟使能 .bps_clk (bps_clk_tx ), //发送时钟输入 .tx_data_valid (tx_data_valid ), //发送数据有效脉冲 .tx_data_in (tx_data_in ), //要发送的数据 .uart_tx (wifi_tx ) //UART发送输出 ); |
Baud模块和Uart_Tx模块配合完成UART发送数据的功能,前级电路通过tx_data_valid和tx_data_in[7:0]端口将数据传递给Uart_Tx模块,然后Uart_Tx模块将数据按照UART总线时序发送出去。
我们使用之前设计的UART发送模块将需要传递的数据通过UART总线发送出去,每次传输8位数据;每当MAIN状态跳转到TXMD状态后,TXMD状态完成对Uart_Tx模块tx_data_valid和tx_data_in[7:0]端口的配置。
TXMD:begin case(cnt_txmd) 3'd0: if(bps_en_tx) cnt_txmd <= cnt_txmd; else cnt_txmd <= cnt_txmd +1'b1; 3'd1: begin num <= num -1'b1; cnt_txmd <= cnt_txmd +1'b1;end 3'd2: begin tx_data_valid <=1'b1; tx_data_in <= char[(num*8)+:8]; cnt_txmd <= cnt_txmd +1'b1;end 3'd3: begin tx_data_valid <=1'b0; if(num>=1'b1) cnt_txmd <=3'd0; else cnt_txmd <= cnt_txmd +1'b1; end 3'd4: begin state <= DELAY; cnt_txmd <=1'b0;end default: state <= IDLE; endcase end |
到这里对ESP8266的配置已经完成了,假设用手机或电脑连接该网络:STEP_FPGA,同时打开网络调试助手作为TCP Client连接TCP服务器:192.168.4.1,端口号:8686,那么就可以给ESP8266发数据了,ESP8266模块接收到WIFI数据,然后以UART总线时序发送给FPGA,FPGA需要UART总线的接收模块接收数据,所以设计中还需要对UART接收功能模块的例化,程序实现如下:
uart_rx module/ Baud # ( .BPS_PARA (BPS_PARA ) ) Baud_rx ( .clk (clk ), //系统时钟 12MHz .rst_n (rst_n ), //系统复位,低有效 .bps_en (bps_en_rx ), //接收时钟使能 .bps_clk (bps_clk_rx ) //接收时钟输出 ); Uart_Rx Uart_Rx_uut ( .clk (clk ), //系统时钟 12MHz .rst_n (rst_n ), //系统复位,低有效 .bps_en (bps_en_rx ), //接收时钟使能 .bps_clk (bps_clk_rx ), //接收时钟输入 .uart_rx (wifi_rx ), //UART接收输入 .rx_data_valid (rx_data_valid ), //接收数据有效脉冲 .rx_data_out (rx_data_out ) //接收到的数据 ); |
Baud模块和Uart_Rx模块配合完成UART接收数据的功能,Uart_Rx模块按照UART总线时序接收数据,将接收到的数据通过rx_data_valid和rx_data_out[7:0]端口输出给后级电路。
当我们连接服务器,使用网络调试助手发送数据<123>,ESP8266模块接收WIFI信号,并通过UART返回数据,如上图所示,想要将123显示在数码管上,需要对UART接收的数据进行解析,包括两个方面,
接收到的数据中部分不能显示,需要排除,只显示数据<123>
数据以ASCII码形式接收,需要解析成字符数据
UART数据中被舍弃的数据,我们可以简单的使用加号和冒号<:>来控制显示的部分,例如显示冒号以后且加号以前的数据,程序实现如下
//解析UART通信,控制只显示有效数据部分 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n) display_en <=1'b0; else if((state == REMD)&&(rx_data_valid)) case(rx_data_out) ":": display_en <=1'b1; "+": display_en <=1'b0; default: display_en <= display_en; endcase else display_en <= display_en; end |
ASCII码数据译码成对应的字符数据,程序实现如下:
//对接收的ASCII码值解码,只对应0~9的数字 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n) seg_data_r <=4'ha; else if((state == REMD)&&(rx_data_valid)) case(rx_data_out) "0": seg_data_r <=4'd0; "1": seg_data_r <=4'd1; "2": seg_data_r <=4'd2; "3": seg_data_r <=4'd3; "4": seg_data_r <=4'd4; "5": seg_data_r <=4'd5; "6": seg_data_r <=4'd6; "7": seg_data_r <=4'd7; "8": seg_data_r <=4'd8; "9": seg_data_r <=4'd9; default: seg_data_r <= seg_data_r; endcase else seg_data_r <= seg_data_r; end |
最后将显示部分的字符数据放到移位寄存器中缓存,程序实现如下:
reg [35:0] seg_data; //移位寄存器,UART接收数据的buffer always@(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)begin seg_data <=36'haaaa_aaaa_a; // 本实验a对应数码管字库为不显示 end else if(!display_en_r2)begin // seg_data <=36'haaaa_aaaa_a; end else if(rx_data_valid_r1)begin seg_data <={seg_data[31:0],seg_data_r}; end else seg_data <= seg_data; end |
例化扫描式数码管驱动模块,将移位寄存器缓存的数据显示在数码管上,程序实现如下:
Segment_scan Segment_scan_uut ( .clk (clk ), //系统时钟 12MHz .rst_n (rst_n ), //系统复位低有效 .dat_1 (seg_data[31:28] ), //SEG1 显示的数据输入 .dat_2 (seg_data[27:24] ), //SEG2 显示的数据输入 .dat_3 (seg_data[23:20] ), //SEG3 显示的数据输入 .dat_4 (seg_data[19:16] ), //SEG4 显示的数据输入 .dat_5 (seg_data[15:12] ), //SEG5 显示的数据输入 .dat_6 (seg_data[11:8] ), //SEG6 显示的数据输入 .dat_7 (seg_data[7:4] ), //SEG7 显示的数据输入 .dat_8 (seg_data[3:0] ), //SEG8 显示的数据输入 .dat_en (8'b1111_1111 ), //数码管数据位显示使能 .dot_en (8'b0000_0000 ), //数码管小数点位显示使能 .seg_rck (seg_rck ), //74HC595的RCK管脚 .seg_sck (seg_sck ), //74HC595的SCK管脚 .seg_din (seg_din ) //74HC595的SER管脚 ); |
以上是通过小脚丫FPGA核心板所实现的ESP8266实例,想要了解详细资料及FPGA实现过程,欢迎点击文章下方的蓝色“”~
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