FPGA学习之串口发送模块设计与验证

1.实验目的：

实现一个串口输出，通过上位机PC查看接收到的是否是串口发送的数据。

2.实验介绍：

学习UART通信原理及其硬件电路设计，使用FPGA实现UART通信中的数据发送部分设计，并使用ISSP工具来进行板级验证。

3.实验原理

（1）异步串行通信原理

串行通信是指利用一条传输线将数据一位位的顺序传送，每位数据占据固定时间长度。

异步通信以一个字符为传输单位，通信中两个字符之间的时间间隔多少是不固定的，但同一个字符中的两个相邻位之间的时间间隔是固定的。

即下图中10位数据之间时间间隔是固定的，这个固定时间称为波特率，指每秒钟可以通信的数据比特个数，典型的波特率有1200bps，4800bps，9600bps，19200bps，115200bps等，一般通信两端波特率要一致。

（2）系统框架图

对于整个串口发送模块，基于上述原理，理解如下输入输出接口：

1.首先作为发送模块，必然有一个输出发送数据端口Rx232_Tx;

2.对于一个字符发送完成，必须要告诉上位机字符发送结束，启动下一次发送，即发送结束信号标志Tx_Done，当发送完成，输出一个时钟周期高电平。

3.当串口模块在发送数据期间，需要存在一个输出标志串口状态位uart_state，即处于发送状态时为1，告诉上位机目前模块正忙。

4.输入肯定有时钟Clk和复位输入Rst_n。

5.在上图中波特率固然有常用的几个，但是如何去选择对应上位机的波特率，来实现不同上位机通信，因此这里需要一个波特率选择输入端口baud_set[3:0]。

6.我们要发送一个数据，必须要控制模块在需要数据时刻发送，不能无休止的一直发送，因此必须有发送控制信号即发送使能信号send_en

7.待发送的数据输入data_byte[7:0]；

那这些输入输出端口之间存在怎样的逻辑电路来将数据发送出去呢？

数据输出格式

对于要输出1字节10位数据，其中数据发送格式已知，即起始位+8位数据位+停止位（校验位默认无），那么这里需要10选一多路器，这样我们可以来选择究竟将哪一位数据发送出去。

由于RS232是异步收发器，因此为了保证发送的数据在时钟到来时处于稳定，需要对输入数据进行寄存。

8位有效数据经过寄存器发送到10选一多路中，再由sel选择信号选择输出哪位数据，选择好数据后，传输到data_reg寄存器中。

那么上图中sel选择信号怎么产生呢？

波特率时钟沿计数输出10选一多路器控制

首先sel选择信号选择的是哪位数据输出？由下图可知，我们可以将BPS_CLK的时钟沿进行计数，当每来一个上升沿就让计数器bps_cnt自加1，然后根据计数结果来选择数据位数输出，例如计数器计到7时，选择信号就会选择发送BIT[5]数据。

而且这个计数器最大只能计数到11（一个字节发送完毕），计数到11时，就需要产生清零clr信号。

这个清零clr信号根据上述输出端口Tx_Done而来，当结束信号标志Tx_Done输出一个时钟周期高电平，认定一个字节传输完毕。

当计数器bps_cnt_q等于11，结果为真，连接到clr清零信号线上，来实现清零动作。

同时比较结果又经过寄存器传输到Tx_Done信号上，告诉上位机字符发送结束。

查看上图可得，bps_cnt的输入BPS_Clk信号其实波特率对应的时钟信号。

分频计数器输出波特率时钟

因为一个字符相邻位的时间间隔对应的波特率，而每一位的传输是基于bps_clk的上升沿来的，因此我们需要不同的bps_clk来对应不同波特率（1200bps,4800bps,9600bps,115200bps）。

首先第一步是产生不同的波特率，因为系统时钟是50Mhz，系统时钟周期为20ns，这里采用依然采用分频计数器来实现不同波特率时钟，下表是常见波特率对应的计数器关系：

上表可知所谓波特率的生成，无非就是利用一个定时器来定时，产生频率与对应波特率时钟频率。

例如当我们使用9600bps时，则需要产生一个频率为9600Hz的时钟信号。那么如何去产生这个信号呢？

在这里，我们先将9600Hz的时钟信号周期计算出来，1秒钟为1000_000_000ns，因此9600bps波特率时钟的周期为1000_000_000/9600≈104166.6，即9600Hz时钟信号的一个周期为104166.6ns，每当定时时间当来，就产生一个系统时钟周期长度的高脉冲信号即可，由于系统时钟周期为20ns(50MHz)，因此只需计数104166.6/20个系统时钟，即可获取到101166.6的定时。

分频计数器计数使能控制

对应一个分频计数器而言，在系统时钟运行过程中，什么时候开始计数即使能计数信号？计数什么时候开始工作呢？

本次设计采用两个二选一多路器来产生使能计数信号，首先这里有一个优先级的问题，因为当send_en发送使能信号为高电平时，那么我们的分频计数器也就要开始计数了。

然而send_en信号只是维持一个时钟周期的高电平，其余时间为低电平，这时就需要一个二选一多路器来实现当send_en信号为高电平时，输出“1”表示计数开始。

如何实现在send_en为低电平时，分频计数器还在计数呢？计数结束的标志是什么呢？

由上文可知在数据传输结束后会产生一个Tx_Done标志信号，这个信号是计数器bps_cnt等于11时产生的，在与11的比较结果会连接到计数器bps_cnt清零clr信号上，那么也可以将该信号作为另一个二选一多路器的选择端上。

因此send_en信号为低电平时会选择第二个二选一多路器MUX2_2作为输出，MUX2_2的选择端与clr同源，因此当比较结果为假时，则MUX2_2的输出即是原来的输入UART_state，即保持UART_state状态不变，依然表示分频计数器还在计数。

当比较结果为真时，即发送数据结束，MUX2_2会输出“0”，这时UART_state会输出低电平，使能计数en_cnt会控制分频计数器停止计数。

不同波特率查找计数值输出

如何产生选择不同波特率时钟信号对应的计数值bps_DR[15:0]呢？

这里利用查找表LUT的方式来实现baud_set信号选择不同的波特率，输出不同的系统时钟计数值。

系统框架图

因此可以得出串口发送模块基本逻辑的系统框架图：

4.代码实现

根据上文描述系统框架图来分别实现相应部分功能：

数据输出格式

波特率时钟沿计数输出10选一多路器控制

分频计数器输出波特率时钟

分频计数器计数使能控制

不同波特率查找计数值输出

总体代码：

//--------------------------------------------------------------------------------------------
//      Component name  : uart_Tx
//      Author          : 硬件嘟嘟嘟
//      time            : 2020.04.21
//      Description     : 串口发送模块
//      src             : FPGA系统设计与验证实战指南_V1.2
//--------------------------------------------------------------------------------------------module uart_tx(Clk,Rst_n,send_en,baud_set,data_byte,Rx232_Tx,Tx_Done,uart_state);input Clk,Rst_n;input send_en;  //发送使能信号输入input [2:0] baud_set;  //波特率选择输入input [7:0] data_byte; //待发送数据//output Rx232_Tx;    //发送数据输出端口output Tx_Done;     //一字节发送结束标志位output uart_state;   //发送数据状态//数据输入寄存，输出格式及输出寄存模块//8位有效数据寄存
reg [7:0] r_data_byte;
always@(posedge Clk,negedge Rst_n)if(!Rst_n)r_data_byte <= 8'b0;else if(send_en)r_data_byte <= data_byte;elser_data_byte <= r_data_byte;//10选1多路器模块
reg [3:0] bps_cnt_q;
reg Rx232_Tx;
localparam START_BIT = 1'b0,STOP_BIT  = 1'b1;
always@(posedge Clk,negedge Rst_n) if(!Rst_n)Rx232_Tx = 1'b1;else begin case(bps_cnt_q)0 : Rx232_Tx <= 1'b1;1 : Rx232_Tx <= START_BIT;2 : Rx232_Tx <= r_data_byte[0];3 : Rx232_Tx <= r_data_byte[1];4 : Rx232_Tx <= r_data_byte[2];5 : Rx232_Tx <= r_data_byte[3];6 : Rx232_Tx <= r_data_byte[4];7 : Rx232_Tx <= r_data_byte[5];8 : Rx232_Tx <= r_data_byte[6];9 : Rx232_Tx <= r_data_byte[7];10 : Rx232_Tx <= STOP_BIT;default : Rx232_Tx = 1'b1;endcaseend//波特率时钟沿计数输出10选一多路器控制
//10选1多路器控制信号产生
reg bps_clk;
always@(posedge Clk,negedge Rst_n)if(!Rst_n)bps_cnt_q <= 4'd0;else if(bps_clk)bps_cnt_q <= bps_cnt_q + 1'b1;else if(bps_cnt_q == 4'd11)bps_cnt_q <= 4'd0;else bps_cnt_q <= bps_cnt_q;//发送数据完成标志位
reg Tx_Done;
always@(posedge Clk,negedge Rst_n)if(!Rst_n)Tx_Done <= 1'b0;else if(bps_cnt_q == 4'd11)Tx_Done <= 1'b0;else Tx_Done <= 1'b1;//分频计数器输出波特率时钟//分频计数
reg [15:0] bps_DR;
reg [15:0] div_cnt;
reg uart_state ;//en_cnt信号由uart_cnt寄存器寄存
always@(posedge Clk,negedge Rst_n)if(!Rst_n)div_cnt <= 16'd0;else if(uart_state)beginif(div_cnt == bps_DR)div_cnt <= 16'd0;else div_cnt <= div_cnt + 1'b1;endelsediv_cnt <= 16'd0;
//输出波特率时钟信号模块
always@(posedge Clk,negedge Rst_n)if(!Rst_n)bps_clk <= 1'b0;else if(div_cnt == 16'd1)bps_clk <= 1'b1;else bps_clk <= 1'b0;//分频计数器计数使能控制
always@(posedge Clk ,negedge Rst_n)if(!Rst_n)uart_state <= 1'b0;else if(send_en)uart_state <= 1'b1;else if(bps_cnt_q == 4'd11)uart_state <= 1'b0;else uart_state <= uart_state;//不同波特率查找计数值输出
always@(posedge Clk,negedge Rst_n)
if(!Rst_n)
bps_DR <= 16'd5207;
else begincase (baud_set)0:bps_DR <= 16'd10416;1:bps_DR <= 16'd5207;2:bps_DR <= 16'd2603;3:bps_DR <= 16'd1301;4:bps_DR <= 16'd433;default : bps_DR <= 16'd5207;endcaseend
endmodule