FPGA串口实战篇

前些天为了支援兄弟单位的朋友,为其调试了一款激光测距仪,而该测距仪与FPGA的数据通信方式为串口,波特率为115200。该朋友的基本需求是这样的:FPGA首先向激光测距仪发送几个命令,使其以用户需要的模式开始工作,而测距仪开始工作之后就不断的以115200b/s的速度向FPGA发送距离数据。

1. 串口协议介绍

在业界，串口又称为通用异步收发器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，简称UART)，它的通信方式遵循一套串口协议：UART通信首先将接收到的并行数据换成串行数据来传输。数据帧从起始位开始，后面是7个或8个数据位，一个可用的奇偶校验位和一个或几个高位停止位。在接收过程中，UART从数据帧中去掉起始位和结束位，并对收到的有效数据字节进行奇偶校验，最后将数据字节从串行转换成并行。另外，需要注意的是奇偶校验位可以不需要，有些实现为了简单起见，在协议实现时就没有设置奇偶校验位。UART传输时序如下图所示：

 

1. 串口实现介绍

下面介绍串口的verilog实现技巧：

首先是需要产生串行数据发送和接收时钟，为了避免异步通信时发生滑码，确保串行数据被准确接收，一般我们采取的办法是串行时钟频率为波特率的16倍。以我调试的这款测距仪为例，它工作的波特率为115200，而我FPGA板上的系统时钟为100MHz，所以我需要对100MHz进行分频，分频系数N可以计算如下：

用verilog实现起来也很简单，如下图所示：

其次是串口发送模块：由于测距仪的串口协议没有奇偶校验位，因此我在FPGA实现端也没有加此功能，也就是说我只需要发送1位起始位、8位数据位以及1位停止位，共10位，而前面提到了发送1位帧数据需要16个时钟周期，所以我们可以知道：只需160个时钟周期我们就可以把10位帧数据发送完毕。

所以就有了如下代码：

其中，wrsigrise为数据使能信号，每当需要发送新数据时，该信号就拉高一个时钟周期。idle为发送模块空闲标志，idle为低电平时表示发送线路为空闲，允许新数据发送，idle为高电平时表示目前的数据还没有发送结束，线路正忙。当发送进程启动160个时钟周期后，10位帧数据就已经发送完毕。

我们再看看发送模块进程，其实也很简单：就是每16个周期发送一位数据，从低到高发送。如下图所示限于篇幅仅给出了一头一尾，中间部分是一样的：

这样10位帧数据就发送完成了，idle拉低表明线路开始空闲了。

然后是串口接收模块了，其实和发送模块差不多，唯一需要注意的地方就是：如何判断数据的到来。我们看协议知道，接收线路上没有数据时会一直保持高电平，当有数据时线路会出现一个由高到低的电平跳变，我们检测到这个跳变就知道数据要来了，咱们就准备接收。如下图所示为接收控制进程：

rxfall即为接收下降沿标志，只有当该信号出现且接收线路为空闲时，接收模块才开始接收线路上的串行数据，并且160个时钟周期之后，10位的帧数据肯定已经接收完毕。

具体的接收模块和发送模块类似，但需要注意一点，我们在数据的中间点取值，这样接收到的数据最稳定，也就是说，第一个起始位是第0~第15时钟周期，我们在第8个时钟周期取数，第一个数据在第16~第31时钟周期出现，我们则在第24个时钟周期取数，以此类推~，如下图所示：

1. 测试结果

我们看看激光测距仪的数据手册，其正常工作时发送5个字节的数据：第0个字节是数据帧头，固定的0x81；第1个字节是测距的低八位数据；第2个字节是测距的高八位数据；第3个字节是测距仪曝光等级低八位；第4个字节是测距仪曝光等级低八位。如下图所示：

如果FPGA的串口代码没问题，就应该是按这个格式收到数据。启动chipscope，我们观察数据，发现数据完全正确，就此完成调试~