【FPGA零基础学习之旅#13】串口发送模块设计与验证

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一、效果演示

1.1 演示

发送测试：

issp调试测试：
数据调试：

调试数据发送：

1.2 串口发送模块完整代码（可直接使用）

模块端口介绍：

信号名称	功能描述
Clk	系统时钟50MHz
Rst_n	系统复位信号
data_byte	待传输的8bit数据
send_en	发送使能信号
baud_set	波特率设置信号
uart_tx	串口信号输出
Tx_Done	发送结束信号，输出一个时钟周期高电平
uart_state	发送状态，处于发送状态时为1

baud_set值与波特率对应关系：

baud_set	波特率
000	9600
001	19200
010	38400
011	57600
100	115200

uart_byte_tx.v：

//
//模块名称：串口发送模块
//
module uart_byte_tx(
	input 		Clk,
	input 		Rst_n,
	input [7:0]	data_byte,
	input 		send_en,
	input [2:0]	baud_set,
	
	output reg uart_tx,
	output reg Tx_Done,
	output reg uart_state
);

	reg bps_clk;//波特率时钟
	
	reg [15:0]div_cnt;//分频计数器
		
	reg [15:0]bps_DR;//分频计数最大值
	
	reg [3:0]bps_cnt;//波特率计数时钟
		
	//定义数据的起始位和停止位
	localparam START_BIT = 1'b0;
	localparam STOP_BIT  = 1'b1;
	
	reg [7:0]r_data_byte;//数据寄存器
	
//----------------	
	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)begin
		if(!Rst_n)
			uart_state <= 1'b0;
		else if(send_en)
			uart_state <= 1'b1;
		else if(bps_cnt == 4'd11)//bps_cnt计数达到11次，即发送结束
			uart_state <= 1'b0;
		else
			uart_state <= uart_state;
	end

//--------<使能分频计数模块>-------	
	assign en_cnt = uart_state;
	
//--------<寄存待发送的数据，使数据保持稳定>--------
	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)begin
		if(!Rst_n)
			r_data_byte <= 8'd0;
		else if(send_en)
			r_data_byte <= data_byte;
		else
			r_data_byte <= r_data_byte;
	end
	
//--------<波特率查找表>--------		
	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)begin
		if(!Rst_n)
			bps_DR <= 16'd5207;
		else begin
			case(baud_set)
				0:bps_DR <= 16'd5207;
				1:bps_DR <= 16'd2603;
				2:bps_DR <= 16'd1301;
				3:bps_DR <= 16'd867;
				4:bps_DR <= 16'd433;
				default:bps_DR <= 16'd5207;
			endcase
		end	
	end
	
//----------------	
//得到不同计数周期的计数器
	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)begin
		if(!Rst_n)
			div_cnt <= 16'd0;
		else if(en_cnt)begin
			if(div_cnt == bps_DR)
				div_cnt <= 16'd0;
			else
				div_cnt <= div_cnt + 1'b1;
		end
		else
			div_cnt <= 16'd0;
	end
//----------------	
	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)begin
		if(!Rst_n)
			bps_clk <= 1'b0;
		else if(div_cnt == 16'd1)
			bps_clk <= 1'b1;
		else
			bps_clk <= 1'b0;
	end
	
//----------------		
	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)begin
		if(!Rst_n)
			bps_cnt <= 4'd0;
		else if(bps_cnt == 4'd11)//clr信号
			bps_cnt <= 4'd0;
		else if(bps_clk)
			bps_cnt <= bps_cnt + 1'b1;
		else
			bps_cnt <= bps_cnt;
	end

//----------------	
	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)begin
		if(!Rst_n)
			Tx_Done <= 1'b0;
		else if(bps_cnt == 4'd11)
			Tx_Done <= 1'b1;
		else
			Tx_Done <= 1'b0;
	end
	
//--------<数据位输出模块-10选1多路器>--------	
	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)begin
		if(!Rst_n)
			uart_tx <= 1'b1;
		else begin
			case(bps_cnt)
				0:uart_tx <= 1'b1;
				1:uart_tx <= START_BIT;
				2:uart_tx <= r_data_byte[0];
				3:uart_tx <= r_data_byte[1];
				4:uart_tx <= r_data_byte[2];
				5:uart_tx <= r_data_byte[3];
				6:uart_tx <= r_data_byte[4];
				7:uart_tx <= r_data_byte[5];
				8:uart_tx <= r_data_byte[6];
				9:uart_tx <= r_data_byte[7];
				10:uart_tx <= STOP_BIT;
				default:uart_tx <= 1'b1;
			endcase
		end
	end
	
endmodule

二、串口发送时序

串口发送一个字节数据的时序图参考如下：

根据上图，一个字节想要成功发送完成，需要计数11次波特率时钟的高电平；而且一个完整的字节发送需要10位数据位，包括1个起始位，8个数据位和1个停止位。

需要注意，在串口未发送数据时（波特率时钟未使能时），串口输出高电平；在第一个波特率时钟高电平到来时，开始发送起始位。

波特率计算：

baud_set	波特率bps	周期	分频计数值	50M系统时钟计数值
0	9600	104167ns	104167/System_clk_period	5208-1
1	19200	52083ns	52083/System_clk_period	2604-1
2	38400	26041ns	26041/System_clk_period	1302-1
3	57600	17361ns	17361/System_clk_period	868-1
4	115200	8680ns	8680/System_clk_period	434-1

三、模块设计与代码详解

根据小梅哥FPGA设计的电路图进行代码编写：

代码理解主要参考前文中代码的模块注释和串口发送时序图。

在此展示简单的测试激励文件：

uart_byte_tx_tb.v：

`timescale 1ns/1ns
`define clock_period 20

module uart_byte_tx_tb;

	reg Clk;
	reg Rst_n;
	reg [7:0]data_byte;
	reg send_en;
	reg [2:0]baud_set;
	
	wire uart_tx;
	wire Tx_Done;
	wire uart_state;
	
	uart_byte_tx Uuart_byte_tx(
		.Clk(Clk),
		.Rst_n(Rst_n),
		.data_byte(data_byte),
		.send_en(send_en),
		.baud_set(baud_set),	
		.uart_tx(uart_tx),
		.Tx_Done(Tx_Done),
		.uart_state(uart_state)
	);
	
	initial Clk = 1;
	always#(`clock_period / 2) Clk = ~Clk;
	
	initial begin
		Rst_n = 1'b0;
		data_byte = 8'd0;
		send_en = 1'b0;
		baud_set = 3'd4;
		#(`clock_period * 20 + 1);
		Rst_n = 1'b1;
		#(`clock_period * 50);
		data_byte = 8'haa;
		send_en = 1'b1;
		#(`clock_period * 1);
		send_en = 1'b0;
		
		@(posedge Tx_Done)
		
		#(`clock_period * 5000);
		data_byte = 8'hff;
		send_en = 1'b1;
		#(`clock_period * 1);
		send_en = 1'b0;
		
		@(posedge Tx_Done)
		#(`clock_period * 5000);
		
		$stop;
	end

endmodule

仿真结果：

Tx_Done信号的正确输出：

四、按键控制串口发送数据

先看整体的RTL视图来理解设计思路：

按键信号经过KeyFilter按键消抖模块之后的有效信号用来控制串口发送模块的发送使能；HEX8模块和74HC595模块用来驱动三线制数码管显示数据；issp模块用来从电脑端调试数据；uart_byte_tx模块用来将调试数据通过串口发送给电脑。

按键消抖模块的详细讲解：【FPGA零基础学习之旅#10】按键消抖模块设计与验证（一段式状态机实现）。

HEX8模块的详细讲解：【FPGA零基础学习之旅#11】数码管动态扫描。

74HC595模块的详细讲解：【FPGA零基础学习之旅#12】三线制数码管驱动（74HC595）串行移位寄存器驱动。

issp ip核的创建和使用包含在文章【FPGA零基础学习之旅#11】数码管动态扫描中。

在此给出顶层模块，其余模块见文末：

uart_byte_tx_top.v：

module uart_byte_tx_top(
	input 			Clk,		//50M
	input 			Rst_n,
	input 			key_in,
	output 			SH_CP,		//shift clock
	output 			ST_CP,		//latch data clock
	output 			DS,			//shift serial data
	output 			uart_tx,
	output			led
);

	wire [7:0] sel;//数码管位选（选择当前要显示的数码管）
	wire [7:0] seg;//数码管段选（当前要显示的内容）	

	wire  [7:0] data_byte;
	
	wire key_flag;
	wire key_state;
	
	issp issp(
		.probe(),
		.source(data_byte)
	);
	
	KeyFilter KeyFilter(
		.Clk(Clk),
		.Rst_n(Rst_n),
		.key_in(key_in),
		.key_flag(key_flag),
		.key_state(key_state)
	);
	
	//通过按键状态使能串口发送模块，按键按下时，串口发送模块使能
	assign send_en = key_flag & (!key_state);
	
	uart_byte_tx uart_byte_tx(
		.Clk(Clk),
		.Rst_n(Rst_n),
		.data_byte(data_byte),
		.send_en(send_en),
		.baud_set(3'd0),
		.uart_tx(uart_tx),
		.Tx_Done(),
		.uart_state(led)
	);

	//由于串口目前只发送一个字节数据，只占用2个数码管，所以其余数码管显示0
	HEX8 HEX8(
		.Clk(Clk),
		.Rst_n(Rst_n),
		.En(1'b1),
		.disp_data({24'h0,data_byte}),
		.sel(sel),
		.seg(seg)
	);

	m74HC595_Driver m74HC595_Driver(
		.Clk(Clk),
		.Rst_n(Rst_n),
		.Data({seg,sel}),
		.S_EN(1'b1),
		.SH_CP(SH_CP),
		.ST_CP(ST_CP),
		.DS(DS)
	);

endmodule

程序配置完成之后的数码管显示和led的点亮：

使用issp更改数据，数码管显示数据并通过按键发送：
修改为11：

修改为AF：

本案例的其余模块在此部分列出：

KeyFilter.v：

//
//模块：按键消抖模块
//key_state：输出消抖之后按键的状态
//key_flag：按键消抖结束时产生一个时钟周期的高电平脉冲
//
module KeyFilter(
	input 		Clk,
	input	 	Rst_n,
	input 		key_in,
	output reg 	key_flag,
	output reg 	key_state
);

	//按键的四个状态
	localparam
		IDLE 		= 4'b0001,
		FILTER1 	= 4'b0010,
		DOWN 		= 4'b0100,
		FILTER2 	= 4'b1000;

	//状态寄存器
	reg [3:0] curr_st;
	
	//边沿检测输出上升沿或下降沿
	wire pedge;
	wire nedge;
	
	//计数寄存器
	reg [19:0]cnt;
	
	//使能计数寄存器
	reg en_cnt;
	
	//计数满标志信号
	reg cnt_full;//计数满寄存器
	
//------<边沿检测电路的实现>------
	//边沿检测电路寄存器
	reg key_tmp0;
	reg key_tmp1;
	
	//边沿检测
	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)begin
		if(!Rst_n)begin
			key_tmp0 <= 1'b0;
			key_tmp1 <= 1'b0;
		end
		else begin
			key_tmp0 <= key_in;
			key_tmp1 <= key_tmp0;
		end	
	end
		
	assign nedge = (!key_tmp0) & (key_tmp1);
	assign pedge = (key_tmp0)  & (!key_tmp1);

//------<状态机主程序>------	
	//状态机主程序
	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)begin
		if(!Rst_n)begin
			curr_st <= IDLE;
			en_cnt <= 1'b0;
			key_flag <= 1'b0;
			key_state <= 1'b1;
		end
		else begin
			case(curr_st)
				IDLE:begin
					key_flag <= 1'b0;
					if(nedge)begin
						curr_st <= FILTER1;
						en_cnt <= 1'b1;
					end
					else
						curr_st <= IDLE;
				end
				
				FILTER1:begin
					if(cnt_full)begin
						key_flag <= 1'b1;
						key_state <= 1'b0;
						curr_st <= DOWN;
						en_cnt <= 1'b0;
					end	
					else if(pedge)begin
						curr_st <= IDLE;
						en_cnt <= 1'b0;
					end
					else
						curr_st <= FILTER1;
				end
				
				DOWN:begin
					key_flag <= 1'b0;
					if(pedge)begin
						curr_st <= FILTER2;
						en_cnt <= 1'b1;
					end
					else
						curr_st <= DOWN;
				end
				
				FILTER2:begin
					if(cnt_full)begin
						key_flag <= 1'b1;
						key_state <= 1'b1;
						curr_st <= IDLE;
						en_cnt <= 1'b0;
					end	
					else if(nedge)begin
						curr_st <= DOWN;
						en_cnt <= 1'b0;
					end
					else
						curr_st <= FILTER2;
				end
				
				default:begin
					curr_st <= IDLE;
					en_cnt <= 1'b0;
					key_flag <= 1'b0;
					key_state <= 1'b1;
				end
			endcase
		end
	end
	
//------<20ms计数器>------		
	//20ms计数器
	//Clk 50_000_000Hz
	//一个时钟周期为20ns
	//需要计数20_000_000 / 20 = 1_000_000次
	
	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)begin
		if(!Rst_n)
			cnt <= 20'd0;
		else if(en_cnt)
			cnt <= cnt + 1'b1;
		else
			cnt <= 20'd0;
	end
	
	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)begin
		if(!Rst_n)
			cnt_full <= 1'b0;
		else if(cnt == 999_999)
			cnt_full <= 1'b1;
		else
			cnt_full <= 1'b0;
	end
	
endmodule

HEX8.v：

module HEX8(
		input 					Clk,			//50M
		input 					Rst_n,			//复位
		input 					En,				//数码管显示使能
		input 		[31:0]		disp_data,		//8 × 4 = 32（8个数码管，数据格式为hex，总共输32位）
		output reg 	[7:0]		seg, 			//数码管段选
		output 		[7:0]		sel	 			//数码管位选（数码管选择）
);
	reg [7:0]sel_r;

//----------<分频器>----------
	reg [14:0]divider_cnt;//25000-1
	
	reg clk_1K;
	
	reg [3:0]data_tmp;//待显示数据缓存
	
	//1KHz分频计数器
	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)begin
		if(!Rst_n)
			divider_cnt <= 15'd0;
		else if(!En)
			divider_cnt <= 15'd0;
		else if(divider_cnt == 24999)
			divider_cnt <= 15'd0;
		else
			divider_cnt <= divider_cnt + 1'b1;
	end
	
	//1KHz扫描时钟
	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)begin
		if(!Rst_n)
			clk_1K <= 1'b0;
		else if(divider_cnt == 24999)
			clk_1K <= ~clk_1K;
		else
			clk_1K <= clk_1K;
	end
	
//----------<6位循环移位寄存器>-----------	
	always@(posedge clk_1K or negedge Rst_n)begin
		if(!Rst_n)
			sel_r <= 8'b0000_0001;
		else if(sel_r == 8'b1000_0000)
			sel_r <= 8'b0000_0001;
		else
			sel_r <= sel_r << 1;
	end	

//----------<6选1多路器>----------		
	always@(*)begin
		case(sel_r)
			8'b0000_0001:data_tmp = disp_data[3:0];
			8'b0000_0010:data_tmp = disp_data[7:4];
			8'b0000_0100:data_tmp = disp_data[11:8];
			8'b0000_1000:data_tmp = disp_data[15:12];
			8'b0001_0000:data_tmp = disp_data[19:16];
			8'b0010_0000:data_tmp = disp_data[23:20];
			8'b0100_0000:data_tmp = disp_data[27:24];
			8'b1000_0000:data_tmp = disp_data[31:28];
			default:data_tmp = 4'b0000;
		endcase
	end

//--------------------		
	always@(*)begin
		case(data_tmp)
			4'h0:seg = 8'hc0;
			4'h1:seg = 8'hf9;
			4'h2:seg = 8'ha4;
			4'h3:seg = 8'hb0;
			4'h4:seg = 8'h99;
			4'h5:seg = 8'h92;
			4'h6:seg = 8'h82;
			4'h7:seg = 8'hf8;
			4'h8:seg = 8'h80;
			4'h9:seg = 8'h90;
			4'ha:seg = 8'h88;
			4'hb:seg = 8'h83;
			4'hc:seg = 8'hc6;
			4'hd:seg = 8'ha1;
			4'he:seg = 8'h86;
			4'hf:seg = 8'h8e;
		endcase
	end
		
//----------<2选1多路器>----------		
	assign sel = (En)?(sel_r):8'b1111_1111;
		
endmodule

m74HC595_Driver.v:

module m74HC595_Driver(
		Clk,
		Rst_n,
		Data,
		S_EN,
		SH_CP,
		ST_CP,
		DS
	);

	parameter DATA_WIDTH = 16;

	input 		Clk;
	input 		Rst_n;
	input 		[DATA_WIDTH-1 : 0] Data;	//data to send
	input 		S_EN;						//send en
	output reg 	SH_CP;						//shift clock
	output reg 	ST_CP;						//latch data clock
	output reg 	DS;							//shift serial data
	
	parameter CNT_MAX = 4;
		
	reg [15:0] divider_cnt;//分频计数器
	wire sck_pluse;
	
	reg [4:0]SHCP_EDGE_CNT;//SH_CP EDGE counter
	
	reg [15:0]r_data;
	
	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)begin
		if(!Rst_n)
			r_data <= 16'd0;
		else if(S_EN)
			r_data <= Data;
		else
			r_data <= r_data;
	end
		
	//clock divide
	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)begin
		if(!Rst_n)
			divider_cnt <= 16'd0;
		else if(divider_cnt == CNT_MAX)
			divider_cnt <= 16'd0;
		else
			divider_cnt <= divider_cnt + 1'b1;
	end
	
	assign sck_pluse = (divider_cnt == CNT_MAX);
	
	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)begin
		if(!Rst_n)
			SHCP_EDGE_CNT <= 5'd0;
		else if(sck_pluse)begin
			if(SHCP_EDGE_CNT ==  5'd31)
				SHCP_EDGE_CNT <= 5'd0;
			else
				SHCP_EDGE_CNT <= SHCP_EDGE_CNT + 1'b1;
		end
		else
			SHCP_EDGE_CNT <= SHCP_EDGE_CNT;
	end	
		
	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)begin
		if(!Rst_n)begin
			SH_CP <= 1'b0;
			ST_CP <= 1'b0;
			DS <= 1'b0;	
		end
		else begin
			case(SHCP_EDGE_CNT)
				5'd0: begin SH_CP <= 1'b0; ST_CP <= 1'b1; DS <= r_data[15]; end
				5'd1: begin SH_CP <= 1'b1; ST_CP <= 1'b0;end
				5'd2: begin SH_CP <= 1'b0; DS <= r_data[14];end
				5'd3: begin SH_CP <= 1'b1; end
				5'd4: begin SH_CP <= 1'b0; DS <= r_data[13];end
				5'd5: begin SH_CP <= 1'b1; end
				5'd6: begin SH_CP <= 1'b0; DS <= r_data[12];end
				5'd7: begin SH_CP <= 1'b1; end
				5'd8: begin SH_CP <= 1'b0; DS <= r_data[11];end
				5'd9: begin SH_CP <= 1'b1; end
				5'd10:begin SH_CP <= 1'b0; DS <= r_data[10];end
				5'd11:begin SH_CP <= 1'b1; end
				5'd12:begin SH_CP <= 1'b0; DS <= r_data[9];end
				5'd13:begin SH_CP <= 1'b1; end
				5'd14:begin SH_CP <= 1'b0; DS <= r_data[8];end
				5'd15:begin SH_CP <= 1'b1; end
				5'd16:begin SH_CP <= 1'b0; DS <= r_data[7];end
				5'd17:begin SH_CP <= 1'b1; end
				5'd18:begin SH_CP <= 1'b0; DS <= r_data[6];end
				5'd19:begin SH_CP <= 1'b1; end
				5'd20:begin SH_CP <= 1'b0; DS <= r_data[5];end
				5'd21:begin SH_CP <= 1'b1; end
				5'd22:begin SH_CP <= 1'b0; DS <= r_data[4];end
				5'd23:begin SH_CP <= 1'b1; end
				5'd24:begin SH_CP <= 1'b0; DS <= r_data[3];end
				5'd25:begin SH_CP <= 1'b1; end
				5'd26:begin SH_CP <= 1'b0; DS <= r_data[2];end
				5'd27:begin SH_CP <= 1'b1; end
				5'd28:begin SH_CP <= 1'b0; DS <= r_data[1];end
				5'd29:begin SH_CP <= 1'b1; end
				5'd30:begin SH_CP <= 1'b0; DS <= r_data[0];end
				5'd31:begin SH_CP <= 1'b1; end
				default:begin SH_CP <= 1'b0;ST_CP <= 1'b0;DS <= 1'b0;	end
			endcase	
		end
	end

endmodule

结尾

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