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--- 串口监视系统设计 [2018/10/22 16:14]
anran [实验原理]
+++ 串口监视系统设计 [2020/01/18 21:54] (当前版本)
gongyu
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-=====串口监视系统设计=====
+### 串口监视系统设计
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-====实验任务====
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+#### 实验任务
   * 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。
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   * 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。
-====实验目的====
+#### 实验目的
 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。
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   * 完成串口监视系统设计实现
-====设计框图====
+#### 设计框图
 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，
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   * Uart_Rx：根据数据传输速率节拍控制UART通信数据格式。
-{{:6-Top-Down层次设计.png?500|Top-Down层次设计}}{{:6-模块结构设计.png?500|模块结构设计}}
+{{:6-Top-Down层次设计.png?600|Top-Down层次设计}}{{:6-模块结构设计.png?500|模块结构设计}}
-====实验原理====
+#### 实验原理
-===UART接口介绍===
+##### UART接口介绍
 {{:6-UART通信接口.png?400|UART通信接口}}
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   * 空闲位：处于逻辑 1 状态，表示当前线路上没有资料传送。
-===UART模块连接===
+##### UART模块连接
 STEP BaseBoard V3.0底板上的基于CP2102方案的UART通信模块电路图如下：
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 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。
-===UART驱动实现===
+##### UART驱动实现
 {{:6-串行总线对比.png?600|串行总线对比}}
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 **节拍模块Baud设计实现：**
 节拍模块Baud的端口程序实现如下：
 <code verilog>
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 **发送模块Uart_Tx设计实现：**
 前级电路通过tx_data_valid和tx_data_in将需要发送的数据传输进来，当tx_data_valid有脉冲信号时，tx_data_in信号为有效数据，拼接起始位和停止位后赋值给tx_data_r，同时控制节拍使能信号使能并自锁，然后等发送完10bit数据后解除使能。
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 {{:6-UART发送功能设计实现.png?600|UART发送功能设计实现}}
 **接收模块Uart_Rx设计实现：**
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 当我们需要UART发送数据的时候只需要实例化发送功能部分设计，需要UART接收数据的时候只需要实例化接收功能部分设计，例如本设计中FPGA驱动UART模块接收电脑串口调试助手发出的数据，所以我们就只需要实例化接收功能部分设计即可。
-===系统总体实现===
+##### 系统总体实现
+刚刚学习了UART通信模块，本设计只需要使用接收功能部分设计，每一次通信都会得到一个8位数据，怎样将8位数据对应得数据显示在数码管上呢？我来先来了解一下UART接受到的8位数据与要显示数字的关系
+{{:6-串口调试助手界面.png?600|串口调试助手界面}}
-====实验步骤====
+上图为电脑端友善串口调试助手的界面，当我们将硬件连接，在串口设置串口选定串口对应的端口，并按上图配置波特率、数据位、校验位、停止位、流控等，点击开始建立连接，接下来我们就可以在串口发送窗口输入要发送的数据，点击发送后数据传输出去。在发送设置有两个选项：ASCII和Hex ，
+  * 当选择ASCII的时候，通过UART发出的数据是数据窗口中字符的ASCII码值，每个字符的ASCII码值都是8位数据，所以窗口中字符数量与UART传输的次数是相等的，同时数字的值与ASCII码值相差48，例如数字0的ASCII码值为48。
+  * 当选择Hex的时候，通过UART发出的数据（必须是16进制数据）就是数据窗口中的数据本身，这样每次UART传输都会发送两个数字，如果只发送一个数字，则高位补零组成8位数据，例如发送数字1，实际UART传输的数据为8‘h01。
+我们设计一个32位的移位寄存器对应8位数码管，按照BCD码格式每4位表示一个数字，每次接收到UART数据都存到移位寄存器中，同时控制数码管显示相应的数码管位，Decoder程序实现如下：
+<code verilog>
+`ifdef HEX_FORMAT //如果用define定义过HEX_FORMAT
+	//采用16进制格式，接收到的数据等于数值本身
+	wire [7:0] seg_data_r = rx_data_out;
+	//移位寄存器，对应8位数码管数据BCD码
+	always @ (posedge rx_data_valid or negedge rst_n) begin
+		if(!rst_n) seg_data <= 1'b0;
+		else seg_data <= {seg_data[23:0],seg_data_r};
+	end
+	//移位寄存器，对应8位数码管数据显示使能
+	always @ (posedge rx_data_valid or negedge rst_n) begin
+		if(!rst_n) data_en <= 1'b0;
+		else data_en <= {data_en[5:0],2'b11};
+	end
+`else
+	//采用字符格式，接收到的数据为字符ASCII码值，与数字值相差48
+	wire [7:0] seg_data_r = rx_data_out - 8'd48;
+	//移位寄存器，对应8位数码管数据BCD码
+	always @ (posedge rx_data_valid or negedge rst_n) begin
+		if(!rst_n) seg_data <= 1'b0;
+		else seg_data <= {seg_data[27:0],seg_data_r[3:0]};
+	end
+	//移位寄存器，对应8位数码管数据显示使能
+	always @ (posedge rx_data_valid or negedge rst_n) begin
+		if(!rst_n) data_en <= 1'b0;
+		else data_en <= {data_en[6:0],1'b1};
+	end
+`endif
+</code>
+上面程序中`ifdef……`else……`endif语句为预编译指令，与C预演类似。如果我们使用串口助手Hex(16进制)格式发送数据，需要在程序中使用define定义参数HEX_FORMAT，如果使用ASCII格式发送数据，则不需要定义。
+<code verilog>
+`define HEX_FORMAT		//串口助手使用Hex格式发送时定义HEX_FORMAT，否则不定义
+</code>
+综合后的设计框图如下：
+{{:6-系统-RTL设计框图.png?800|RTL设计框图}}
+#### 实验步骤
   - 双击打开Quartus Prime工具软件；
   - 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）；
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-====实验现象====
+#### 实验现象
+使用两根Micro-USB线同时连接核心板和底板的USB接口，将程序下载到FPGA中，数码管处于不显示的状态，打开电脑上的串口调试助手，按照前面图片配置相应参数，在数据发送窗口输入数字，点击发送观察底板数码管的变化，重新输入数字，点击发送再次观察底板数码管的变化。