UART串口通信实验报告.docx

现代电路与系统实验报告实验四 UART串口通信学院：研究生院 学号：1400030034 姓名：张秋明一、 实验目的及要求设计一个UART串口通信协议，实现“串-并”转换功能的电路，也就是“通用异步收发器”。二、 实验原理UART是一种通用串行数据总线，用于异步通信。该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收。在嵌入式设计中，UART用来主机与辅助设备通信，如汽车音响与外接AP之间的通信，与PC机通信包括与监控调试器和其它器件，如EEPROM通信。UART作为异步串口通信协议的一种，工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输。其中各位的意义如下：起始位：先发出一个逻辑”0”的信号，表示传输字符的开始。资料位：紧接着起始位之后。资料位的个数可以是4、5、6、7、8等，构成一个字符。通常采用ASCII码。从最低位开始传送，靠时钟定位。奇偶校验位：资料位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)，以此来校验资料传送的正确性。停止位：它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。 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。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有资料传送。波特率：是衡量资料传送速率的指标。表示每秒钟传送的符号数（symbol）。一个符号代表的信息量（比特数）与符号的阶数有关。例如资料传送速率为120字符/秒，传输使用256阶符号，每个符号代表8bit，则波特率就是120baud，比特率是120*8=960bit/s。这两者的概念很容易搞错。三、 实现程序library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity uart is port(clk : in std_logic; -系统时钟 rst_n: in std_logic; -复位信号 rs232_rx: in std_logic; -RS232接收数据信号; rs232_tx: out std_logic -RS232发送数据信号;);end uart;architecture behav of uart iscomponent uart_rx port(clk : in std_logic; -系统时钟 rst_n: in std_logic; -复位信号 rs232_rx: in std_logic; -RS232接收数据信号 clk_bps: in std_logic; -此时clk_bps的高电平为接收数据的采样点 bps_start:out std_logic; -接收到数据后，波特率时钟启动置位 rx_data: out std_logic_vector(7 downto 0); -接收数据寄存器，保存直至下一个数据来到 rx_int: out std_logic -接收数据中断信号，接收数据期间时钟为高电平，传送给串口发送);end component;component speed_select port(clk : in std_logic; -系统时钟rst_n: in std_logic; -复位信号clk_bps: out std_logic; -此时clk_bps的高电平为接收或者发送数据位的中间采样点bps_start:in std_logic -接收数据后，波特率时钟启动信号置位);end component;component uart_tx port(clk : in std_logic; -系统时钟 rst_n: in std_logic; -复位信号 rs232_tx: out std_logic; -RS232接收数据信号 clk_bps: in std_logic; -此时clk_bps的高电平为接收数据的采样点 bps_start:out std_logic; -接收到数据后，波特率时钟启动置位 rx_data: in std_logic_vector(7 downto 0); -接收数据寄存器，保存直至下一个数据来到 rx_int: in std_logic -接收数据中断信号，接收数据期间时钟为高电平，传送给串口发送模块，使得串口正在进行接收数据的时候，发送模块不工作，避免了一个完整的数据（1位起始位、8位数据位、1位停止位）还没有接收完全时，发送模块就已经将不正确的数据传输出去);end component;signal bps_start_1:std_logic;signal bps_start_2:std_logic;signal clk_bps_1:std_logic;signal clk_bps_2:std_logic;signal rx_data:std_logic_vector(7 downto 0);signal rx_int:std_logic;beginRX_TOP: uart_rxport map(clk=clk,rst_n=rst_n,rs232_rx=rs232_rx,clk_bps=clk_bps_1,bps_start=bps_start_1,rx_data=rx_data,rx_int=rx_int); SPEED_TOP_RX: speed_select port map(clk=clk, rst_n=rst_n, clk_bps=clk_bps_1, bps_start=bps_start_1 ); TX_TOP:uart_tx port map(clk=clk, -系统时钟rst_n=rst_n, -复位信号rs232_tx=rs232_tx, -RS232发送数据信号clk_bps=clk_bps_2, -此时clk_bps的高电平为发送数据的采样点bps_start=bps_start_2, -接收到数据后，波特率时钟启动置位rx_data=rx_data, -接收数据寄存器，保存直至下一个数据来到rx_int=rx_int -接收数据中断信号，接收数据期间时钟为高电平，传送给串口发送模块，使得串口正在进行接收数据的时候，发送模块不工作，避免了一个完整的数据（1位起始位、8位数据位、1位停止位）还没有接收完全时，发送模块就已经将不正确的数据传输出去); SPEED_TOP_TX: speed_select port map(clk=clk, rst_n=rst_n, clk_bps=clk_bps_2, bps_start=bps_start_2 ); end behav;-3个子模块-异步接收模块- library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity uart_rx is port(clk : in std_logic; -系统时钟 rst_n: in std_logic; -复位信号 rs232_rx: in std_logic; -RS232接收数据信号 clk_bps: in std_logic; -此时clk_bps的高电平为接收数据的采样点 bps_start:out std_logic; -接收到数据后，波特率时钟启动置位 rx_data: out std_logic_vector(7 downto 0); -接收数据寄存器，保存直至下一个数据来到 rx_int: out std_logic -接收数据中断信号，接收数据期间时钟为高电平，传送给串口发送模块，使得串口正在进行接收数据的时候，发送模块不工作，避免了一个完整的数据（1位起始位、8位数据位、1位停止位）还没有接收完全时，发送模块就已经将不正确的数据传输出去);end uart_rx;architecture behav of uart_rx is signal rs232_rx0: std_logic; signal rs232_rx1: std_logic; signal rs232_rx2: std_logic; signal rs232_rx3: std_logic; signal neg_rs232_rx:std_logic; signal bps_start_r:std_logic; signal num:integer; signal rx_data_r:std_logic_vector(7 downto 0); -串口接收数据寄存器，保存直至下一个数据到来begin process(clk,rst_n) begin if (rst_n=0)thenrs232_rx0=0;rs232_rx1=0;rs232_rx2=0;rs232_rx3=0;elseif (rising_edge(clk) thenrs232_rx0=rs232_rx;rs232_rx1=rs232_rx0;rs232_rx2=rs232_rx1;rs232_rx3=rs232_rx2;end if;end if;neg_rs232_rx =rs232_rx3 and rs232_rx2 and not(rs232_rx1)and not(rs232_rx0); end process; process(clk,rst_n) begin if (rst_n=0)thenbps_start_r=0;rx_int=0;else if (rising_edge(clk) then if(neg_rs232_rx=1) then -接收到串口数据线rs232_rx的下降沿标志信号bps_start_r=1; -启动串口准备数据接收rx_int=1; -接收数据中断信号使能else if(num= 15) and (clk_bps=1) then -接收完有用数据信息 bps_start_r=0; -数据接收完毕，释放波特率启动信号rx_int=0; -接收数据中断信号关闭end if;end if; end if;end if;bps_start=bps_start_r; end process; process(clk,rst_n) begin if (rst_n=0)thenrx_data_r=00000000;rx_data=00000000;num=0;else if (rising_edge(clk) thenif(clk_bps=1)thennum=num+1;case num iswhen 1=rx_data_r(0)=rs232_rx;-锁存第0bitwhen 2=rx_data_r(1)=rs232_rx;-锁存第0bitwhen 3=rx_data_r(2)=rs232_rx;-锁存第0bitwhen 4=rx_data_r(3)=rs232_rx;-锁存第0bitwhen 5=rx_data_r(4)=rs232_rx;-锁存第0bitwhen 6=rx_data_r(5)=rs232_rx;-锁存第0bitwhen 7=rx_data_r(6)=rs232_rx;-锁存第0bitwhen 8=rx_data_r(7)=rs232_rx;-锁存第0bitwhen 10=rx_data=rx_data_r;when 11=num=15;when others=null;end case;if(num=15) thennum=0;end if;end if;end if;end if; end process;end behav;-波特率控制模块- library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity speed_select is port(clk : in std_logic; -系统时钟 rst_n: in std_logic; -复位信号 clk_bps: out std_logic; -此时clk_bps的高电平为接收或者发送数据位的中间采样点 bps_start:in std_logic -接收数据后，波特率时钟启动信号置位或者开始发送数据时，波特率时钟启动信号置位);end speed_select;architecture behav of speed_select issignal cnt:std_logic_vector(12 downto 0);signal clk_bps_r:std_logic;constant BPS_PARA:integer:=5207;constant BPS_PARA_2:integer:=2603;begin process(clk,rst_n) begin if (rst_n=0)thencnt=0000000000000;else if (rising_edge(clk) thenif(cnt=BPS_PARA)or(bps_start=0) then cnt=0000000000000; -波特率计数器清零elsecnt=cnt+1; -波特率时钟计数启动end if;end if;end if;end process;process(clk,rst_n) begin if (rst_n=0)thenclk_bps_r=0;else if (rising_edge(clk) thenif(cnt=BPS_PARA_2) then clk_bps_r=1; -clk_bps_r高电平为接收数据位的中间采样点，同时也作为发送数据的数据改变点elseclk_bps_r=0; -波特率计数器清零end if;end if;end if;clk_bps=clk_bps_r;end process;end behav;-异步发送模块 - library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity uart_tx is port(clk : in std_logic; -系统时钟 rst_n: in std_logic; -复位信号 rs232_tx: out std_logic; -RS232接收数据信号 clk_bps: in std_logic; -此时clk_bps的高电平为接收数据的采样点 bps_start:out std_logic; -接收到数据后，波特率时钟启动置位 rx_data: in std_logic_vector(7 downto 0); -接收数据寄存器，保存直至下一个数据来到 rx_int: in std_logic -接收数据中断信号，接收数据期间时钟为高电平，传送给串口发送模块，使得串口正在进行接收数据的时候，发送模块不工作，避免了一个完整的数据（1位起始位、8位数据位、1位停止位）还没有接收完全时，发送模块就已经将不正确的数据传输出去);end uart_tx;architecture behav of uart_tx is signal rx_int0: std_logic; signal rx_int1: std_logic; signal rx_int2: std_logic; signal neg_rx_int:std_logic; signal bps_start_r:std_logic; signal num:integer; signal tx_data:std_logic_vector(7 downto 0); -串口接收数据寄存器，保存直至下一个数据到来begin process(clk,rst_n) begin if (rst_n=0)thenrx_int0=0;rx_int1=0;rx_int2=0;elseif (rising_edge(clk) thenrx_int0=rx_int;rx_int1=rx_int0;rx_int2=rx_int1;end if;end if;neg_rx_int =not(rx_int1)and (rx_int2); end process; process(clk,rst_n) begin if (rst_n=0)thenbps_start_r=0;tx_data=00000000;else if (rising_edge(clk) then if(neg_rx_int=1) then -接收到串口数据线rs232_rx的下降沿标志信号bps_start_r=1; -启动串口准备数据接收tx_data=rx_data; -接收数据中断信号使能else if(num= 15) and (clk_bps=1) then -接收完有用数据信息 bps_start_r=0; -数据接收完毕，释放波特率启动信号end if;end if; end if;end i