FPGA：实现串行接口 RS232

串行接口(RS-232)
串行接口是连接FPGA和PC机的一种简单方式。这个项目向大家展示了如果使用FPGA来创建RS-232收发器。

整个项目包括5个部分

1.     RS232是怎样工作的

2.     如何产生需要的波特率

3.     发送模块

4.     接收模块

5.     应用实例

RS-232接口是怎样工作的
作为标准设备，大多数的计算机都有1到2个RS-232串口。

特性
RS-232有下列特性:

·        使用9针的"DB-9"插头(旧式计算机使用25针的"DB-25"插头).

·        允许全双工的双向通讯(也就是说计算机可以在接收数据的同时发送数据).

·        最大可支持的传输速率为10KBytes/s.

DB-9插头
你可能已经在你的计算机背后见到过这种插头

它一共有9个引脚，但是最重要的3个引脚是:

·        引脚2: RxD (接收数据).

·        引脚3: TxD (发送数据).

·        引脚5: GND (地).

仅使用3跟电缆，你就可以发送和接收数据.

串行通讯
数据以每次一位的方式传输；每条线用来传输一个方向的数据。由于计算机通常至少需要若干位数据，因此数据在发送之前先“串行化”。通常是以8位数据为1组的。。先发送最低有效位，最后发送最高有效位。

异步通讯
RS-232使用异步通讯协议。也就是说数据的传输没有时钟信号。接收端必须有某种方式，使之与接收数据同步。
对于RS-232来说，是这样处理的:

1.     串行线缆的两端事先约定好串行传输的参数（传输速度、传输格式等）

2.     当没有数据传输的时候，发送端向数据线上发送"1"

3.     每传输一个字节之前，发送端先发送一个"0"来表示传输已经开始。这样接收端便可以知道有数据到来了。

4.     开始传输后，数据以约定的速度和格式传输，所以接收端可以与之同步

5.     每次传输完成一个字节之后，都在其后发送一个停止位("1")

让我们来看看0x55是如何传输的:

0x55的二进制表示为：01010101。
但是由于先发送的是最低有效位，所以发送序列是这样的: 1-0-1-0-1-0-1-0.
下面是另外一个例子 :

传输的数据为0xC4，你能看出来吗?
从图中很难看出来所传输的数据，这也说明了事先知道传输的速率对于接收端有多么重要。

数据传输可以多快?
数据的传输速度是用波特来描述的，亦即每秒钟传输的数据位，例如1000波特表示每秒钟传输100比特的数据, 或者说每个数据位持续1毫秒。
波特率不是随意的，必须服从一定的标准，如果希望设计123456波特的RS-232接口，对不起，你很不幸运，这是不行的。常用的串行传输速率值包括以下几种：

·        1200 波特.

·        9600 波特.

·        38400 波特.

·        115200 波特 (通常情况下是你可以使用的最高速度).

在115200 波特传输速度下, 每位数据持续 (1/115200) =8.7μs. 如果传输8位数据,共持续 8 x 8.7μs = 69μs。但是每个字节的传输又要求额外的“开始位”和“停止位”,所以实际上需要花费10 x 8.7μs = 87μs的时间。最大的有效数据传输率只能达到 11.5KBytes每秒。
在115200 波特传输速度下,一些使用了不好的芯片的计算机要求一个长的停止位(1.5或2位数据的长度)，这使得最大传输速度降到大约10.5KBytes每秒

物理层
电缆上的信号使用正负电压的机制:

·        "1" 用 -10V 的电压表示(或者在 -5V 与 -15V之间的电压).

·        "0" 用 +10V 的电压表示(或者在 5V 与 15V之间的电压).

所以没有数据传输的电缆上的电压应该为-10V或-5到-10之间的某个电压。

 

波特率发生器

这里我们使用串行连接的最大速度115200波特，其他较慢的波特也很容易由此产生。

FPGA通常运行在远高于115200Hz的时钟频率上（对于今天的标准的来说RS-232真是太慢了），这就意味着我们需要用一个较高的时钟来分频产生尽量接近于115200Hz的时钟信号。
从1.8432MHz的时钟产生
通常RS-232芯片使用1.8432MHz的时钟，以为这个时钟很容易产生标准的波特率，所以我们假设已经拥有了一个这样的时钟源。

只需要将 1.8432MHz 16分频便可得到 115200Hz的时钟，多方便啊！

reg [3:0] BaudDivCnt;（1843200/16=115200
always @(posedge clk) BaudDivCnt <= BaudDivCnt + 1;
wire BaudTick = (BaudDivCnt==15);

所以"BaudTick" 每16个时钟周期需要置位一次，从而从1.8432MHz的时钟得到115200Hz的时钟。

从任意频率产生
早期的发生器假设使用1.8432MHz的时钟。但如果我们使用2MHz的时钟怎么办呢？要从2MHz的时钟得到 115200Hz，需要将时钟"17.361111111..." 分频，并不是一个整数。我的解决办法是有时候17分频，有时候18分频，使得整体的分频比保持在 "17.361111111"。这是很容易做到的。

下面是实现这个想法的C语言代码:
while(1) // 死循环
{
acc += 115200;        
if(acc >=2000000) printf("*"); else printf(" ");
acc %= 2000000;
}

这段代码会精确的以平均每"17.361111111..." 个时钟间隔打印出一个"*"。

为了从FPGA得到同样的效果，考虑到串行接口可以容忍一定的波特率误差，所以即使我们使用17.3或者17.4这样的分频比也是没有关系的。

FPGA波特率发生器
我们希望2000000是2的整数幂，但很可惜，它不是。所以我们改变分频比，"2000000/115200" 约等于 "1024/59" = 17.356. 这跟我们要求的分频比很接近，并且使得在FPGA上实现起来相当有效。

//10 位的累加器 ([9:0]), 1位进位输出 ([10])
reg [10:0] acc; //一共11位!
always @(posedge clk)
acc <= acc[9:0] + 59; //我们使用上一次结果的低10位，但是保留11位结果
wire BaudTick = acc[10]; //第11位作为进位输出,这里的方法用的非常好，可以作为分频始终来用

使用 2MHz 时钟, "BaudTick"为 115234 波特, 跟理想的115200波特存在 0.03% 的误差。

参数化的FPGA波特率发生器
前面的设计我们使用的是10位的累加器，如果时钟频率提高的话，需要更多的位数。

下面是一个使用 25MHz 时钟和 16 位累加器的设计，该设计是参数化的，所以很容易根据具体情况修改。

parameter ClkFrequency = 25000000; // 25MHz  FPGA的工作频率
parameter Baud = 115200;
parameter BaudGeneratorAccWidth = 16;
parameter BaudGeneratorInc =(Baud<<BaudGeneratorAccWidth)/ClkFrequency;//左移的话意味着乘以2的几次方
reg [BaudGeneratorAccWidth:0] BaudGeneratorAcc; //留出一位用于分频进位用的
always @(posedge clk)
BaudGeneratorAcc <= BaudGeneratorAcc[BaudGeneratorAccWidth-1:0] +BaudGeneratorInc;
wire BaudTick = BaudGeneratorAcc[BaudGeneratorAccWidth];//这个式子就是我们分频的结果，达到了由25MHZ分频到115200HZ的效果

上面的设计中存在一个错误: "BaudGeneratorInc"的计算是错误的, 因为 Verilog 使用 32 位的默认结果, 但实际计算过程中的某些数据超过了32位，所以改变一种计算方法。

parameter BaudGeneratorInc = ((Baud<<(BaudGeneratorAccWidth-4))+(ClkFrequency>>5))/(ClkFrequency>>4);

这行程序也使得结果成为整数，从而避免截断。

这就是整个的设计方法了。
现在我们已经得到了足够精确的波特率，可以继续设计串行接收和发送模块了。

 

RS-232发送模块
下面是我们所想要实现的:

它应该能像这样工作:

·        发送器接收8位的数据，并将其串行输出。("TxD_start"置位后开始传输).

·        当有数传输的时候，使"busy"信号有效，此时“TxD_start”信号被忽略.

RS-232模块的参数是固定的: 8位数据, 2个停止位, 无奇偶校验.

数据串行化
假设我们已经有了一个115200波特的"BaudTick"信号.

我们需要产生开始位、8位数据以及停止位。
用状态机来实现看起来比较合适。

reg [3:0] state;
always @(posedge clk)
case(state)
4'b0000: if(TxD_start) state <= 4'b0100;
4'b0100: if(BaudTick) state <= 4'b1000; // 开始位
4'b1000: if(BaudTick) state <= 4'b1001; // bit 0
4'b1001: if(BaudTick) state <= 4'b1010; // bit 1
4'b1010: if(BaudTick) state <= 4'b1011; // bit 2
4'b1011: if(BaudTick) state <= 4'b1100; // bit 3
4'b1100: if(BaudTick) state <= 4'b1101; // bit 4
4'b1101: if(BaudTick) state <= 4'b1110; // bit 5
4'b1110: if(BaudTick) state <= 4'b1111; // bit 6
4'b1111: if(BaudTick) state <= 4'b0001; // bit 7
4'b0001: if(BaudTick) state <= 4'b0010; // 停止位1
4'b0010: if(BaudTick) state <= 4'b0000; // 停止位2
default: if(BaudTick) state <= 4'b0000;
endcase

注意看这个状态机是怎样实现当"TxD_start"有效就开始,但只在"BaudTick"有效的时候才转换状态的。.

现在，我们只需要产生"TxD"输出即可.
reg muxbit;
always @(state[2:0])
case(state[2:0])
0: muxbit <= TxD_data[0];
1: muxbit <= TxD_data[1];
2: muxbit <= TxD_data[2];
3: muxbit <= TxD_data[3];
4: muxbit <= TxD_data[4];
5: muxbit <= TxD_data[5];
6: muxbit <= TxD_data[6];
7: muxbit <= TxD_data[7];
endcase

//将开始位、数据以及停止位结合起来
assign TxD = (state<4) | (state[3] & muxbit);

 

RS232接收模块
下面是我们想要实现的模块:

我们的设计目的是这样的：
     1.当RxD线上有数据时，接收模块负责识别RxD线上的数据
     2.当收到一个字节的数据时，锁存接收到的数据到"data"总线，并使"data_ready"有效一个周期。
注意：只有当"data_ready"有效时，"data"总线的数据才有效，其他的时间里不要使用"data"总线上的数据，因为新的数据可能已经改变了其中的部分数据。

过采样
异步接收机必须通过一定的机制与接收到的输入信号同步（接收端没有办法得到发送断的时钟）。这里采用如下办法。
     1.为了确定新数据的到来，即检测开始位，我们使用几倍于波特率的采样时钟对接收到的信号进行采样。
     2.一旦检测到"开始位"，再将采样时钟频率降为已知的发送端的波特率。
典型的过采样时钟频率为接收到的信号的波特率的16倍，这里我们使用8倍的采样时钟。当波特率为115200时，采样时钟为921600Hz。（115200*8=921600）

假设我们已经有了一个8倍于波特率的时钟信号"Baud8Tick"，其频率为 921600Hz。

具体设计
首先，接受到的"RxD"信号与我们的时钟没有任何关系，所以采用两个D触发器对其进行过采样，并且使之我我们的时钟同步。
reg [1:0] RxD_sync;
always @(posedge clk) if(Baud8Tick) RxD_sync <= {RxD_sync[0], RxD};

首先我们对接收到的数据进行滤波，这样可以防止毛刺信号被误认为是开始信号。
reg [1:0] RxD_cnt;
reg RxD_bit;
always @(posedge clk)
if(Baud8Tick)
begin
if(RxD_sync[1] && RxD_cnt!=2'b11) RxD_cnt <= RxD_cnt + 1;
else
if(~RxD_sync[1] && RxD_cnt!=2'b00) RxD_cnt <= RxD_cnt - 1;
if(RxD_cnt==2'b00) RxD_bit <= 0;
else
if(RxD_cnt==2'b11) RxD_bit <= 1;
end

一旦检测到"开始位"，使用如下的状态机可以检测出接收到每一位数据。
reg [3:0] state;
always @(posedge clk)
if(Baud8Tick)
case(state)
4'b0000: if(~RxD_bit) state <= 4'b1000; // start bit found?
4'b1000: if(next_bit) state <= 4'b1001; // bit 0
4'b1001: if(next_bit) state <= 4'b1010; // bit 1
4'b1010: if(next_bit) state <= 4'b1011; // bit 2
4'b1011: if(next_bit) state <= 4'b1100; // bit 3
4'b1100: if(next_bit) state <= 4'b1101; // bit 4
4'b1101: if(next_bit) state <= 4'b1110; // bit 5
4'b1110: if(next_bit) state <= 4'b1111; // bit 6
4'b1111: if(next_bit) state <= 4'b0001; // bit 7
4'b0001: if(next_bit) state <= 4'b0000; // stop bit
default: state <= 4'b0000;
endcase

注意，我们使用了"next_bit"来遍历所有数据位。
reg [2:0] bit_spacing;
always @(posedge clk)
if(state==0)
bit_spacing <= 0;
else
if(Baud8Tick)
bit_spacing <= bit_spacing + 1;
wire next_bit = (bit_spacing==7);

最后我们使用一个移位寄存器来存储接受到的数据。
reg [7:0] RxD_data;
always @(posedge clk) if(Baud8Tick && next_bit && state[3])RxD_data <= {RxD_bit, RxD_data[7:1]};

 

 

怎样使用发送和接收模块
这个设计似的我们可以通过计算机的串行口来控制FPGA的几个引脚。

具体来说，该设计完成以下功能。

   1. 将FPGA的8个引脚作为输出（称为“通用输出”）。 FPGA收到任何数据时都会更新这8个GPout 的值。
   2. 将FPGA的8个引脚作为输入（称为“通用输入”）。FPGA收到任何数据后，都会将GPin上的数值通过串行口发送出去。

通用输出可以用来通过计算机远程控制任何东西，例如FPGA板上的LED，甚至可以再添加一个继电器来控制咖啡机。
module serialfun(clk, RxD, TxD, GPout, GPin);
input clk;

input RxD;
output TxD;

output [7:0] GPout;
input [7:0] GPin;

///////////////////////////////////////////////////
wire RxD_data_ready;
wire [7:0] RxD_data;
async_receiver deserializer(.clk(clk), .RxD(RxD),.RxD_data_ready(RxD_data_ready), .RxD_data(RxD_data));

reg [7:0] GPout;
always @(posedge clk) if(RxD_data_ready) GPout <= RxD_data;

///////////////////////////////////////////////////
async_transmitter serializer(.clk(clk), .TxD(TxD), .TxD_start(RxD_data_ready),.TxD_data(GPin));

endmodule

记得包含异步发送和接收模块的设计文件，并更新里面的时钟频率。