串口發(fā)送與接收模塊設(shè)計(jì)代碼分析

1.1Tx_Bps_Gen

Tx_Bps_Gen為發(fā)送波特率生成模塊，每當(dāng)有Byte_En信號到來時(shí)，即開始產(chǎn)生發(fā)送一個完整字節(jié)的數(shù)據(jù)需要的完整波特率時(shí)鐘信號。

本設(shè)計(jì)，波特率支持9600bps到921600bps。例如，需要產(chǎn)生的波特率時(shí)鐘為9600bps，即波特率時(shí)鐘頻率為9600Hz，周期為104.17us。生成9600Hz波特率時(shí)鐘的核心思想就是對系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，這里設(shè)定系統(tǒng)時(shí)鐘為50MHz，則一個時(shí)鐘的周期為20ns，我們只需要對系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)5208次，每計(jì)數(shù)5208次產(chǎn)生一個時(shí)鐘周期的高電平脈沖，即可實(shí)現(xiàn)生成9600Hz波特率時(shí)鐘的功能。相應(yīng)代碼如下所示：

018 parameter system_clk = 50_000_000; /*輸入時(shí)鐘頻率設(shè)定，默認(rèn)50M*/

019

020 /*根據(jù)輸入時(shí)鐘頻率計(jì)算生成各波特率時(shí)分頻計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)最大值*/

021 localparam bps9600 = system_clk/9600 - 1;

022 localparam bps19200 = system_clk/19200 - 1;

023 localparam bps38400 = system_clk/38400 - 1;

024 localparam bps57600 = system_clk/57600 - 1;

025 localparam bps115200 = system_clk/115200 - 1;

026 localparam bps230400 = system_clk/230400 - 1;

027 localparam bps460800 = system_clk/460800 - 1;

028 localparam bps921600 = system_clk/921600 - 1;

029

030 reg ［31:0］BPS_PARA;/*波特率分頻計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)最大值*/

031

032 always@（posedge Clk or negedge Rst_n）

033 if（！Rst_n）begin

034 BPS_PARA 《= bps9600;/*復(fù)位時(shí)波特率默認(rèn)為9600bps*/

035 end

036 else begin

037 case（Baud_Set）/*根據(jù)波特率控制信號選擇不同的波特率計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)最大值*/

038 3‘d0： BPS_PARA 《= bps9600;

039 3’d1： BPS_PARA 《= bps19200;

040 3‘d2： BPS_PARA 《= bps38400;

041 3’d3： BPS_PARA 《= bps57600;

042 3‘d4： BPS_PARA 《= bps115200;

043 3’d5： BPS_PARA 《= bps230400;

044 3‘d6： BPS_PARA 《= bps460800;

045 3’d7： BPS_PARA 《= bps921600;

046 default： BPS_PARA 《= bps9600;

047 endcase

048 end

049

050 //=========================================================

051 reg［12:0］Count;

052

053 reg n_state;

054 localparam IDEL_1 = 1‘b0，

055 SEND = 1’b1;

056

057 reg BPS_EN;

058

059 /*-------波特率時(shí)鐘生成控制邏輯--------------*/

060 always@（posedge Clk or negedge Rst_n）

061 if（！Rst_n）begin

062 BPS_EN 《= 1‘b0;

063 n_state 《= IDEL_1;

064 end

065 else begin

066 case（n_state）

067 IDEL_1：

068 if（Byte_En）begin/*檢測到字節(jié)發(fā)送使能信號，則啟動波特率生成進(jìn)程，同時(shí)進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)*/

069 BPS_EN 《= 1’b1;

070 n_state 《= SEND;

071 end

072 else begin

073 n_state 《= IDEL_1;

074 BPS_EN 《= 1‘b0;

075 end

076 SEND：

077 if（Tx_Done == 1）begin/*發(fā)送完成，關(guān)閉波特率生成進(jìn)程，回到空閑狀態(tài)*/

078 BPS_EN 《= 1’b0;

079 n_state 《= IDEL_1;

080 end

081 else begin

082 n_state 《= SEND;

083 BPS_EN 《= 1‘b1;

084 end

085 default:n_state 《= IDEL_1;

086 endcase

087 end

088

089 /*-------波特率時(shí)鐘生成定時(shí)器--------------*/

090 always@（posedge Clk or negedge Rst_n）

091 if（！Rst_n）

092 Count 《= 13’d0;

093 else if（BPS_EN == 1‘b0）

094 Count 《= 13’d0;

095 else begin

096 if（Count == BPS_PARA）

097 Count 《= 13‘d0;

098 else

099 Count 《= Count + 1’b1;

100 end

101

102 /*輸出數(shù)據(jù)接收采樣時(shí)鐘*/

103 //-----------------------------------------------

104 always @（posedge Clk or negedge Rst_n）

105 if（！Rst_n）

106 Bps_Clk 《= 1‘b0;

107 else if（Count== 1）

108 Bps_Clk 《= 1’b1;

109 else

110 Bps_Clk 《= 1‘b0;

第18行“parameter system_clk = 50_000_000;”，這里用一個全局參數(shù)定義了系統(tǒng)時(shí)鐘，暫時(shí)設(shè)定為50M，可根據(jù)實(shí)際使用的板卡上的工作時(shí)鐘進(jìn)行修改。

所謂波特率生成，就是用一個定時(shí)器來定時(shí)，產(chǎn)生頻率與對應(yīng)波特率時(shí)鐘頻率相同的時(shí)鐘信號。例如，我們使用波特率為115200bps，則我們需要產(chǎn)生一個頻率為115200Hz的時(shí)鐘信號。那么如何產(chǎn)生這樣一個115200Hz的時(shí)鐘信號呢？這里，我們首先將115200Hz時(shí)鐘信號的周期計(jì)算出來，1秒鐘為1000_000_000ns，因此波特率時(shí)鐘的周期Tb= 1000000000/115200 =8680.6ns，即115200信號的一個周期為8680.6ns，那么，我們只需要設(shè)定我們的定時(shí)器定時(shí)時(shí)間為8680.6ns，每當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，產(chǎn)生一個系統(tǒng)時(shí)鐘周期長度的高脈沖信號即可。系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為50MHz，即周期為20ns，那么，我們只需要計(jì)數(shù)8680/20個系統(tǒng)時(shí)鐘，就可獲得8680ns的定時(shí)，即bps115200=Tb/Tclk - 1=Tb*fclk - 1=fclk/115200-1。相應(yīng)的，其它波特率定時(shí)值的計(jì)算與此類似，這里小梅哥就不再一一分析。20行至28行為波特率定時(shí)器定時(shí)值的計(jì)算部分。

為了能夠通過外部控制波特率，設(shè)計(jì)中使用了一個3位的波特率選擇端口：Baud_Set。通過給此端口不同的值，就能選擇不同的波特率，此端口控制不同波特率的原理很簡單，就是一個多路選擇器，第32行至第48行即為此多路選擇器的控制代碼， Baud_Set的值與各波特率的對應(yīng)關(guān)系如下：

000 ：9600bps；

001 ：19200bps;

010 ：38400bps;

011 ：57600bps；

100 ：115200bps；

101 ：230400bps；

110 ：460800bps；

111 ：921600bps；

1.2Uart_Byte_Tx

Uart_Byte_Tx為字節(jié)發(fā)送模塊，該模塊在波特率時(shí)鐘的節(jié)拍下，依照UART通信協(xié)議發(fā)送一個完整的字節(jié)的數(shù)據(jù)。當(dāng)一個字節(jié)發(fā)送完畢后，Tx_Done產(chǎn)生一個高脈沖信號，以告知其它模塊或邏輯一個字節(jié)的數(shù)據(jù)已經(jīng)傳輸完成，可以開始下一個字節(jié)的發(fā)送了。其發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)代碼如下：

33 /*計(jì)數(shù)波特率時(shí)鐘，11個波特率時(shí)鐘為一次完整的數(shù)據(jù)發(fā)送過程*/

34 always@（posedge Clk or negedge Rst_n）

35 if（！Rst_n）

36 Bps_Clk_Cnt 《= 4’b0;

37 else if（Bps_Clk_Cnt == 4‘d11）

38 Bps_Clk_Cnt 《= 4’b0;

39 else if（Bps_Clk）

40 Bps_Clk_Cnt 《= Bps_Clk_Cnt + 1‘b1;

41 else

42 Bps_Clk_Cnt 《= Bps_Clk_Cnt;

43

44 /*生成數(shù)據(jù)發(fā)送完成標(biāo)志信號*/

45 always@（posedge Clk or negedge Rst_n）

46 if（！Rst_n）

47 Tx_Done 《= 1’b0;

48 else if（Bps_Clk_Cnt == 4‘d11）

49 Tx_Done 《= 1’b1;

50 else

51 Tx_Done 《= 1‘b0;

52

53 /*在開始發(fā)送起始位的時(shí)候就讀取并寄存Data_Byte，以免Data_Byte變化導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失*/

54 always@（posedge Clk or negedge Rst_n）

55 if（！Rst_n）

56 Data = 8’d0;

57 else if（Bps_Clk & Bps_Clk_Cnt == 4‘d1）

58 Data 《= Data_Byte;

59 else

60 Data 《= Data;

61

62 /*發(fā)送數(shù)據(jù)序列機(jī)*/

63 always@（posedge Clk or negedge Rst_n）

64 if（！Rst_n）

65 Rs232_Tx 《= 1’b1;

66 else begin

67 case（Bps_Clk_Cnt）

68 4‘d1： Rs232_Tx 《= 1’b0;

69 4‘d2： Rs232_Tx 《= Data［0］;

70 4’d3： Rs232_Tx 《= Data［1］;

71 4‘d4： Rs232_Tx 《= Data［2］;

72 4’d5： Rs232_Tx 《= Data［3］;

73 4‘d6： Rs232_Tx 《= Data［4］;

74 4’d7： Rs232_Tx 《= Data［5］;

75 4‘d8： Rs232_Tx 《= Data［6］;

76 4’d9： Rs232_Tx 《= Data［7］;

77 4‘d10： Rs232_Tx 《= 1’b1;

78 default:Rs232_Tx 《= 1‘b1;

79 endcase

80 end

在UART協(xié)議中，一個完整的字節(jié)包括一位起始位、8位數(shù)據(jù)位、一位停止位即總共十位數(shù)據(jù)，那么，要想完整的實(shí)現(xiàn)這十位數(shù)據(jù)的發(fā)送，就需要11個波特率時(shí)鐘脈沖，如下所示：

BPS_CLK信號的第一個上升沿到來時(shí)，字節(jié)發(fā)送模塊開始發(fā)送起始位，接下來的2到9個上升沿，發(fā)送8個數(shù)據(jù)位，第10個上升沿到第11個上升沿為停止位的發(fā)送。

單個串口接收模塊中實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)接收的主要代碼如下所示：

025 always @ （posedge Clk or negedge Rst_n）

026 if（！Rst_n） begin

027 Rs232_Rx0 《= 1’b0;

028 Rs232_Rx1 《= 1‘b0;

029 Rs232_Rx2 《= 1’b0;

030 Rs232_Rx3 《= 1‘b0;

031 end

032 else begin

033 Rs232_Rx0 《= Rs232_Rx;

034 Rs232_Rx1 《= Rs232_Rx0;

035 Rs232_Rx2 《= Rs232_Rx1;

036 Rs232_Rx3 《= Rs232_Rx2;

037 end

038

039 wire neg_Rs232_Rx= Rs232_Rx3 & Rs232_Rx2 & ~Rs232_Rx1 & ~Rs232_Rx0;

040

041 assign Byte_En = neg_Rs232_Rx;

042

043 /*----------計(jì)數(shù)采樣時(shí)鐘--------------*/

044 /*9倍波特率采樣時(shí)鐘，故一個完整的接收過程有90個波特率時(shí)鐘*/

045 reg［6:0］Sample_Clk_Cnt;

046 always @ （posedge Clk or negedge Rst_n）

047 if（！Rst_n）

048 Sample_Clk_Cnt 《= 7’d0;

049 else if（Sample_Clk）begin

050 if（Sample_Clk_Cnt == 7‘d89）

051 Sample_Clk_Cnt 《= 7’d0;

052 else

053 Sample_Clk_Cnt 《= Sample_Clk_Cnt + 1‘b1;

054 end

055 else

056 Sample_Clk_Cnt 《= Sample_Clk_Cnt;

057

058 reg ［1:0］Start_Bit; /*起始位，這里雖然定義，但并未使用該位來判斷接收數(shù)據(jù)的正確性，即默認(rèn)接收都是成功的*/

059 reg ［1:0］Stop_Bit; /*停止位，這里雖然定義，但并未使用該位來判斷接收數(shù)據(jù)的正確性，即默認(rèn)接收都是成功的*/

060 reg ［1:0］ Data_Tmp［7:0］;/*此部分較為復(fù)雜，請參看說明文檔中相關(guān)解釋*/

061

062 always @ （posedge Clk or negedge Rst_n）

063 if（！Rst_n）begin

064 Data_Tmp［0］ 《= 2’d0;

065 Data_Tmp［1］ 《= 2‘d0;

066 Data_Tmp［2］ 《= 2’d0;

067 Data_Tmp［3］ 《= 2‘d0;

068 Data_Tmp［4］ 《= 2’d0;

069 Data_Tmp［5］ 《= 2‘d0;

070 Data_Tmp［6］ 《= 2’d0;

071 Data_Tmp［7］ 《= 2‘d0;

072 Start_Bit 《= 2’d0;

073 Stop_Bit 《= 2‘d0;

074 end

075 else if（Sample_Clk）begin

076 case（Sample_Clk_Cnt）

077 7’d0：

078 begin

079 Data_Tmp［0］ 《= 2‘d0;

080 Data_Tmp［1］ 《= 2’d0;

081 Data_Tmp［2］ 《= 2‘d0;

082 Data_Tmp［3］ 《= 2’d0;

083 Data_Tmp［4］ 《= 2‘d0;

084 Data_Tmp［5］ 《= 2’d0;

085 Data_Tmp［6］ 《= 2‘d0;

086 Data_Tmp［7］ 《= 2’d0;

087 Start_Bit 《= 2‘d0;

088 Stop_Bit 《= 2’d0;

089 end

090 7‘d3，7’d4，7‘d5： Start_Bit 《= Start_Bit + Rs232_Rx;

091 7’d12，7‘d13，7’d14:Data_Tmp［0］ 《= Data_Tmp［0］ + Rs232_Rx;

092 7‘d21，7’d22，7‘d23:Data_Tmp［1］ 《= Data_Tmp［1］ + Rs232_Rx;

093 7’d30，7‘d31，7’d32:Data_Tmp［2］ 《= Data_Tmp［2］ + Rs232_Rx;

094 7‘d39，7’d40，7‘d41:Data_Tmp［3］ 《= Data_Tmp［3］ + Rs232_Rx;

095 7’d48，7‘d49，7’d50:Data_Tmp［4］ 《= Data_Tmp［4］ + Rs232_Rx;

096 7‘d57，7’d58，7‘d59:Data_Tmp［5］ 《= Data_Tmp［5］ + Rs232_Rx;

097 7’d66，7‘d67，7’d68:Data_Tmp［6］ 《= Data_Tmp［6］ + Rs232_Rx;

098 7‘d75，7’d76，7‘d77:Data_Tmp［7］ 《= Data_Tmp［7］ + Rs232_Rx;

099 7’d84，7‘d85，7’d86:Stop_Bit 《= Stop_Bit + Rs232_Rx;

100 default：;

101 endcase

102 end

103 else ;

根據(jù)串口發(fā)送協(xié)議，一個字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸是以一個波特率周期的低電平作為起始位的，因此，成功接收UART串口數(shù)據(jù)的核心就是準(zhǔn)確檢測起始位。由于外部串口發(fā)送過來的數(shù)據(jù)與接收系統(tǒng)不在同一個時(shí)鐘域，因此不能直接使用該信號的下降沿來作為檢測標(biāo)志，我們需要在fpga中，采用專用的邊沿檢測電路來實(shí)現(xiàn)，第25行至37行通過四個移位寄存器，存儲連續(xù)四個時(shí)鐘上升沿時(shí)外部發(fā)送數(shù)據(jù)線的狀態(tài)，第39行通過比較前兩個時(shí)鐘時(shí)數(shù)據(jù)線的狀態(tài)與后兩個時(shí)鐘時(shí)數(shù)據(jù)線的狀態(tài)，來得到該數(shù)據(jù)線的準(zhǔn)確下降沿，以此保證起始位的準(zhǔn)確檢測。

在簡單的串口接收中，我們通常選取一位數(shù)據(jù)的中間時(shí)刻進(jìn)行采樣，因?yàn)榇藭r(shí)數(shù)據(jù)最穩(wěn)定，但是在工業(yè)環(huán)境中，存在著各種干擾，在干擾存在的情況下，如果采用傳統(tǒng)的中間時(shí)刻采樣一次的方式，采樣結(jié)果就有可能受到干擾而出錯。為了濾除這種干擾，這里采用多次采樣求概率的方式。如下圖，將一位數(shù)據(jù)平均分成9個時(shí)間段，對位于中間的三個時(shí)間段進(jìn)行采樣。然后對三個采樣結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)判斷，如果某種電平狀態(tài)在三次采樣結(jié)果中占到了兩次及以上，則可以判定此電平狀態(tài)即為正確的數(shù)據(jù)電平。例如4、5、6時(shí)刻采樣結(jié)果分別為1、1、0，那么就取此位解碼結(jié)果為1，否則，若三次采樣結(jié)果為0、1、0，則解碼結(jié)果就為0。

因?yàn)椴蓸右晃恍枰?個時(shí)鐘上升沿，因此，采樣一個完整的數(shù)據(jù)需要10*9，即90個時(shí)鐘上升沿，這里，采樣時(shí)鐘為波特率時(shí)鐘的9倍。產(chǎn)生采樣時(shí)鐘的部分代碼如下所示：

089 /*-------波特率時(shí)鐘生成定時(shí)器--------------*/

090 always@（posedge Clk or negedge Rst_n）

091 if（！Rst_n）

092 Count 《= 10‘d0;

093 else if（BPS_EN == 1’b0）

094 Count 《= 10‘d0;

095 else begin

096 if（Count == BPS_PARA）

097 Count 《= 10’d0;

098 else

099 Count 《= Count + 1‘b1;

100 end

101

102 //=====================================================

103 /*輸出數(shù)據(jù)接收采樣時(shí)鐘*/

104 always @（posedge Clk or negedge Rst_n）

105 if（！Rst_n）

106 Sample_Clk 《= 1’b0;

107 else if（Count== 1）

108 Sample_Clk 《= 1‘b1;

109 else

110 Sample_Clk 《= 1’b0;

這里，BPS_PARA的計(jì)算原理和前面Tx_Bps_Gen模塊中的BPS_PARA的計(jì)算原理一致，不過這里，因?yàn)椴蓸訒r(shí)鐘為波特率時(shí)鐘的9倍，所以，BPS_PARA為Tx_Bps_Gen模塊中的BPS_PARA的1/9。計(jì)算BPS_PARA的相關(guān)代碼如下：

018 parameter system_clk = 50_000_000; /*輸入時(shí)鐘頻率設(shè)定，默認(rèn)50M*/

019

020 /*根據(jù)輸入時(shí)鐘頻率計(jì)算生成各波特率時(shí)分頻計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)最大值*/

021 localparam bps9600 = system_clk/9600/9 - 1;

022 localparam bps19200 = system_clk/19200/9 - 1;

023 localparam bps38400 = system_clk/38400/9 - 1;

024 localparam bps57600 = system_clk/57600/9 - 1;

025 localparam bps115200 = system_clk/115200/9 - 1;

026 localparam bps230400 = system_clk/230400/9 - 1;

027 localparam bps460800 = system_clk/460800/9 - 1;

028 localparam bps921600 = system_clk/921600/9 - 1;

029

030 reg ［31:0］BPS_PARA;/*波特率分頻計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)最大值*/

031

032 always@（posedge Clk or negedge Rst_n）

033 if（！Rst_n）begin

034 BPS_PARA 《= bps9600; /*復(fù)位時(shí)波特率默認(rèn)為9600bps*/

035 end

036 else begin

037 case（Baud_Set） /*根據(jù)波特率控制信號選擇不同的波特率計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)最大值*/

038 3‘d0： BPS_PARA 《= bps9600;

039 3’d1： BPS_PARA 《= bps19200;

040 3‘d2： BPS_PARA 《= bps38400;

041 3’d3： BPS_PARA 《= bps57600;

042 3‘d4： BPS_PARA 《= bps115200;

043 3’d5： BPS_PARA 《= bps230400;

044 3‘d6： BPS_PARA 《= bps460800;

045 3’d7： BPS_PARA 《= bps921600;

046 default： BPS_PARA 《= bps9600;/*異常情況，恢復(fù)到9600的波特率*/

047 endcase

048 end

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