• 任务：基于 STEP-MAX10M08核心板 和 STEP BaseBoard V3.0底板 完成串口监视系统设计并观察调试结果。
• 要求：设计串口监视系统，实时监控串口（UART）接收数据，并将数据显示在底板的8位数码管上（仅限数字0~9）。
• 解析：通过FPGA编程驱动底板上的CP2102串口通信模块，接收来自PC(串口调试助手)或其他串口设备的数据，经过处理，最后通过驱动8位扫描式数码管模块，将接收到的数据显示在底板数码管上。

本实验主要学习串口（UART）总线工作原理、协议及相关知识，练习如何使用FPGA驱动CP2102模块实现串口通信设计，同时复习上节中扫描式数码管模块的实例化应用。

• 熟悉串口（UART）总线工作原理及通信协议
• 完成基于FPGA的串口通信模块设计
• 完成串口监视系统设计实现

根据前面的实验解析我们可以得知，该设计可以拆分成三个功能模块实现，

• UartBus： UART串口通信设计，实现串口通信数据传输。 * Decoder：将UART模块接收到的数据转换成用于数码管显示的BCD码。 * Segmentscan：通过驱动底板扫描式数码管将串口接收的数据显示出来。

顶层模块DisplayCtl通过实例化两个子模块并将对应的信号连接，最终实现串口监视系统的总体设计。UART通信是全双工的，接收和发送是两个独立的设计，本实验只需要接收数据，串口通信有两个关键因素：传输格式和传输速率，我们可以用两个模块分别实现： * Baud：控制UART通信数据传输速率。 * UartRx：根据数据传输速率节拍控制UART通信数据格式。

在嵌入式领域里说的串口一般就是说的UART接口，通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通常称作UART，是一种通用串行数据总线，用于异步通信。该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收。

在系统或计算机中说的串口一般就是说的RS232接口，也叫COM口，也叫DB9，老式的电脑和台式机上一般都有这个接口，接口有9个引脚，最重要的三个引脚：TXD、RXD、GND，基本通信逻辑与UART完全一致，为了增加串口通信的抗干扰能力，RS232串行通信接口定义了自己的电平标准，采用负逻辑电平，它定义+5~+12V为低电平，而-12~-5V为高电平，相当于在UART的基础上增加驱动器，将原来UART通信电平标准调整为RS232的电平标准，通信原理如下：

随着技术的发展，各种通信接口种类越来越多，方案越来越稳定，成本越来越低，体积越来越小巧，RS232串口通信接口方案逐渐被抛弃，取而代之的是各种更高速，更稳定，更小巧的接口，USB就是其中应用较广的，为了实现UART通信，一种USB转UART的方案被广泛应用，常用的USB转UART方案有CP2102、FT232、CH340等等

我们STEP BaseBoard V3.0底板集成的UART通信模块就是采用CP2102方案，FPGA通过UART总线驱动CP2102实现USB和UART之间的数据通信，最终实现FPGA与电脑之间的数据传输，UART通信的时序如下。

• 起始位：先发出一个逻辑 0 信号，表示传输字符的开始。
• 数据位：可以是5~8位逻辑 0 或 1 。如ASCII码( 7位) ,扩展BCD码( 8位) 。
• 校验位：数据位加上这一位后，使得 1 的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)。
• 停止位：它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。
• 空闲位：处于逻辑 1 状态，表示当前线路上没有资料传送。

STEP BaseBoard V3.0底板上的基于CP2102方案的UART通信模块电路图如下：

上图为基于CP2102方案的UART通信模块电路图，可以看到CP2102方案非常简洁，无需外置USB通信时钟晶体（内部集成），CP2102芯片TXD和RXD分别与FPGA芯片RXD和TXD连接，同时两个信号都连接了LED灯，这样当UART通信时，随着数据传输对应LED灯也会快速闪烁，起到UART通信指示灯的作用。CP2102芯片DTR和RTS通过两个三极管搭建流控电路，连接WIFI模块ESP8266-12F，使用UART模块烧写ESP8266模块的固件时就无需手动进入固件烧写模式了，这个会在后续涉及WIFI通信的实验中详细介绍，这里可以不用理会。

SPI、I2C、UART总线对比表：

1. 双击打开Quartus Prime工具软件；
2. 新建工程：File → New Project Wizard（工程命名，工程目录选择，设备型号选择，EDA工具选择）；
3. 新建文件：File → New → Verilog HDL File，键入设计代码并保存；
4. 设计综合：双击Tasks窗口页面下的Analysis & Synthesis对代码进行综合；
5. 管脚约束：Assignments → Assignment Editor，根据项目需求分配管脚；
6. 设计编译：双击Tasks窗口页面下的Compile Design对设计进行整体编译并生成配置文件；
7. 程序烧录：点击Tools → Programmer打开配置工具，Program进行下载；
8. 观察设计运行结果。