串口通信--明德扬至简设计案例与应用FPGA

fpgayang

1  项目背景   （技术Q交流群：544453837）

      RS-485

      是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485许多电气规定与RS-422相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信，而采用四线连接时，与RS-422一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主（Master）设备，其余为从设备，但它比RS-422有改进，无论四线还是二线连接方式总线上可多接到32个设备。

      RS-485与RS-422的不同还在于其共模输出电压是不同的，RS-485是-7V至+12V之间，而RS-422在-7V至+7V之间，RS-485接收器最小输入阻抗为12kΩ、RS-422是4kΩ；由于RS-485满足所有RS-422的规范，所以RS-485的驱动器可以在RS-422网络中应用。

      RS-485与RS-422一样，其最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10Mb/s。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长双绞线最大传输速率仅为1Mb/s。

      CH340

      由于串口（COM）不支持热插拔及传输速率较低，目前大部分新主板和便携电脑已开始取消该接口，只有工控和测量设备以及部分通信设备中还保留有串口。

      现在的电脑大部分都有USB接口而没有串口，为了使用串口，我们需要一个USB转串口的芯片，它的功能是让电脑把USB当串口来使用。这种类型的芯片很多，明德扬教学板使用的是CH340芯片。

      CH340是一个USB总线的转接芯片，实现USB转串口、USB转IrDA红外或者USB转打印口。

      在串口方式下，CH340提供常用的MODE联络信号，用于为计算机扩展异步串口中，或者将普通的串口设备直接升级到USB总线。

      明德扬教学板的串口功能原理如下图所示。电脑通过USB线，连接到教学板上的USB接口，USB接口连接到CH340芯片，CH340芯片与FPGA相连。在FPGA看来，串口其实就是两根线：输入线USB_RXD和输出线USB_TXD，其他电气特性、电平转换的工作，都由CH340搞好了。FPGA通过USB_RXD接收来自电脑过来的串口数据；通过USB_TXD发数据给电脑。

      串口时序

      USB_RXD和USB_TXD传输数据时，是将传输数据的每个字符一位接一位地传输。下面是USB_RXD和USB_TXD的时序。USB_RXD的时序由CH340芯片产生，FPGA根据时序来接收数据；USB_TXD的时序由FPGA芯片产生，FPGA要按规范来产生时序，使得CH340可以正确地接收。我们可以把产生时序的叫MASTER（主），接收数据叫SLAVE（从）。

      串口时序主要包括：空闲、起始位、数据拉、校验位和停止位。

      空闲：空闲状态下，数据线一直处于高电平状态。

      起始位：当MASTER要发送数据时，首先会将数据线拉低“一段时间”，从而告知SLAVE有数据要传输了，要做好准备。

      数据位：起始位之后是数据位，数据位的位数由双方约定，支持4、5、6、7、8位等。双方约定后才能正确地传输。每个数据位传输时都会占用“一段时间”，并且是从低位开始传输。图中LSB是低位的意思，MSB是高位的意思。例如要传输数据8’b00000001，传输时是先送最低位的“1”。

      检验位：奇偶校验是一种非常简单常用的数据校验方式，分为奇校验和偶校验。奇校验需要保证传输的数据总共有奇数个逻辑高电平，若是偶校验则要保证传输的数据有偶数个逻辑高电平。即“奇偶”的意思就是数据中（包括该校验位）中1的个数。例如：传输的数据位是0100_0011。如果是奇校验，校验位是0，偶校验校验位是1。校验位不是必须项，双方可以约定不需要校验位，或者用奇校验，或者使用偶校验。

      停止位：最后一个是停止位，MASTER必须保证有停止位，即把数据线变高“一段时间”。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。让SLAVE可以正确地识别下一轮数据的起始位。假如没有停止位，校验码刚好是0，数据连续发送，那么SLAVE就没法判断下一轮的起始位。对于SLAVE来说，接收完数据位或校验位后就表示接收完成，在停止位不需要做什么，只是等待下一轮起始就够了。

      在时序图中，每个数据都会传输“一段时间”，这个一段时间非常重要，传输双方都要做好约定，否则就不能正确地通信。那么这个“一段时间”是多长时间呢？这跟波特率有关。在串口通信中，波特率是一个非常重要的概念。串口通信中常用的波特率是9600、19200、38400、57600、115200。波特率是每个码元传输的速率，在二进制数据传输中，和比特率相同，都是每个比特数据传输的速率，其倒数为1bit数据的位宽，也就是1bit数据持续的时间。有了这一时间段，就可用FPGA构造计数器实现比特周期的延时，从而实现特定的数据传输波特率。

      例如，假设波特率为9600，数据位为8位，没有校验位，电脑要发数据8’b00110001给FPGA。考虑到波特率为9600，即每位占用时间为1s/9600=104166ns。那么FPGA的USB_RXD（图中的rx_uart）这根线将如下图变化。

      中间信号，trigger连到触发器的信号输入端D，触发器的输出器连的是tri_ff0。将trigger取反，与tri_ff0相与，就得到信号neg_edge，如果neg_edge=1就表示检测到trigger的下降沿。将tri_ff0取反，与trigger相与，就得到信号pos_edge，如果pos_edge=1，就表示检测到trigger的上升沿。

      我们来讲解这个原理，画出信号的波形图。

      Tri_ff0是触发器的输出，因此tri_ff0的信号与trigger信号相似，只是相差一个时钟周期。我们也可以这样理解：每个时钟上升沿看到的tri_ff0的值，其实就是triffer信号上一个时钟看到的值，也就是tri_ff0是trigger之前的值。

      然后我们在看第3时钟上升沿，此时trigger值为0，而tri_ff0的值为1，即当前trigger的值为0，之前的值为1，这就是下降沿，此时neg_edge为1。当看到neg_edge为1，就表示检测到trigger的下降沿了。

      同样道理，在第7个时钟上升沿，看到trigger值为1，而之前值为0，pos_edge为1，表示检测到trigger的上升沿。

      Verilog实现边沿检测电路的代码。

3.2.2  异步信号同步化

      在讨论边沿检测的波形中，我们把trigger当成理想的同步信号，也就是trigger是满足D触发器的建立和保持时间的，这在同步系统中不是问题。但如果trigger不是理想的同步信号，例如外部按键信号，例如本工程的rx_uart信号。这些信号什么时候变化，完全是随机的。很有可能，在时钟上升沿变化，从而不满足触发器的建立时间和保持时间要求，从而出现亚稳态，导致系统崩溃。详细的原因，可以看D触发器中，亚稳态一节的内容。根据这一节内容的结论，我们需要对进来的信号打两拍（用两个触发器寄存一下），再来使用。

      假设输入的信号trigger不是同步信号，那么要将该信号用2个触发器进行寄存，得到tri_ff0和tri_ff1。需要特别注意的是，tri_ff0绝对不要拿来当条件使用，只能使用tri_ff1。我们还需要检测边沿，根据前面所说，再用寄存器寄存，得到tri_ff2。根据tri_ff1和tri_ff2，我们就可以得到边沿检测。当tri_ff1==1且tri_ff2==0时，上升沿的pos_edge有效；当tri_ff1==0且tri_ff2==1时，下降沿的neg_edge有效。

      我们总结一下。如果通过打两拍的方式，实现了信号的同步化。我们通过打一拍的方式，实现边沿检测电路。这两者不是一定同时出现的。如果进来的信号是异步信号，那就必须先同步化，然后再做检测。如果进来的信号本身就是同步信号，那就没有必要做同步化了，直接做边沿检测即可。

      回到本工程的设计，我们需要检测rx_uart的下降沿，从而让flag_add变高。同时，我们注意到rx_uart是异步信号（PC 什么时候发送数据就是随机的）。所以需要将rx_uart先同步化，再做下降沿检测。所以先设计如下代码：

      这样，flag_add变1的条件就变成：rx_uart_ff1==0&& rx_uart_ff2==1。

      Flag_add变0的条件，可以完成收完9比特数据就变0，不用再计数了。所以变0条件：end_cnt1。

      综上所述，可以写出flag_add的代码。

      设计下data信号，该信号的值来自于图中第2~第9比特的值。第2比特的值赋给data[0]，第3比特的值赋给data[1]，以此类推，第9比特的值赋给data[7]。

      由于每一个比特都持续5208个时钟周期，我们必须选定一个时刻，将值赋给data。

      首先，不能在end_cnt0的时候赋值，如上图的点。因为我们这里的5208个时钟周期是理想、估算的数值，实际上是非常有可能有偏差的。如果我们在end_cnt0的时候取值，就有可能采错。

      最保险的做法是在中间点取值。这样，即使有比较多的偏差，都不会影响到采样的正确性。

      综上所述，我们在cnt0数到一半时采到当前rx_uart的值赋给dout，其中第2比特赋给led[0]，第3比特赋给led[1]，以此类推，第9比特赋给led[7]。

      进一步用信号表示，可翻译成：数到add_cnt0 && cnt0==5208/2 -1时，如果cnt1==1，则将rx_uart_ff1赋给led[0]。如果cnt1==2，则将rx_uart_ff1赋给led[1]，以此类推，如果cnt1==8，将rx_uart_ff1赋给led[7]。

      那么直接翻译成代码。

      上面代码可优化，简写成如下：

      通常我们设计时，首先是想到实现功能，所以会先写出前面代码。在功能实现的前提下，再考虑有没有优化空间，从而写出后面代码。好代码都是一步步优化出来的。

      注意，上面代码，我们采集的是rx_uart_ff1而不是rx_uart信号。这是因为rx_uart是异步信号，我们只能用同步化后的信号，否则会引起亚稳态。所以只能是rx_uart_ff1。

      至此，主体程序已经完成。接下来是将module补充完整。

3.3  信号定义

      cnt0是用always产生的信号，因此类型为reg。cnt0计数的最大值为5208，需要用13根线表示，即位宽是13位。因此代码如下：

      add_cnt0和end_cnt0都是用assign方式设计的，因此类型为wire。并且其值是0或者1，1个线表示即可。因此代码如下：

      cnt1是用always产生的信号，因此类型为reg。cnt1计数的最大值为9，需要用4根线表示，即位宽是4位。因此代码如下：

      add_cnt1和end_cnt1都是用assign方式设计的，因此类型为wire。并且其值是0或者1，1根线表示即可。因此代码如下：

      flag_add是用always方式设计的，因此类型为reg。并且其值是0或者1，1根线表示即可。因此代码如下：

      rx_uart_ff0、rx_uart_ff1和rx_uart_ff2是用always方式设计的，因此类型为reg。并且其值是0或1，需要1根线表示即可。因此代码如下：

4     综合工程和上板4.1  新建工程

      1.首先在d盘中创建名为“uart”的工程文件夹，将写的代码命名为“uart.v”,顶层模块名为“uart”。