医用FPGA开发教程-基于Xilinx和VHDL-第10讲-串口通信实验

第10讲串口通信实验1医用FPGA开发实用教程——基于Xilinx和VHDLPracticalTutorialonMedicalFPGADevelopment——BasedonXilinxandVHDL实验原理ExperimentalPrinciples“

基于FPGA高级开发系统设计一个串口通信实验，计算机上的串口助手向FPGA高级开发系统发送数据，待FPGA高级开发系统收到之后会向计算机发送收到的数据，并在计算机上通过串口助手显示。比如，计算机通过串口助手向FPGA高级开发系统发送“123456”，FPGA高级开发系统收到之后，向计算机发送相同的数据，在串口助手上显示“123456”。10.12UART物理层

UART是异步串行全双工通信，因此UART通信没有时钟线，由两根数据线实现双向同时传输，收发数据只能一位一位地在各自数据线上传输。数据线是高低逻辑电平传输，因此还必须有参照的地线，最简单的UART接口由发送数据线TXD、接收数据线RXD和GND共三根线组成。3UART电路原理图

FPGA高级开发系统上芯片的D17引脚连接CH330N芯片的RXD引脚，作为UART_TX端口，C18引脚连接CH330N芯片的TXD引脚，作为UART_RX端口。然后将UART信号经由FPGA高级开发系统上的USB转UART模块转换为USB信号（D+和D-），这样，通过USB连接线，即可实现计算机与系统之间的通信。4UART数据格式

UART数据在物理层上是以帧为单位进行传输的。UART的一帧数据由起始位、数据位、校验位、停止位和空闲位组成。一个完整的UART数据帧必须有起始位、数据位和停止位，但是不一定有校验位和空闲位。5UART传输速率

UART传输速率用比特率来表示。比特率是每秒传输的二进制位数，单位为bps（bitpersecond）。在实际应用中，常用的UART传输速率有1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600和115200。如果数据位为8位，校验为奇校验，停止位为1位，波特率为115200，计算每2ms最多可以发送多少个字节数据。首先，通过计算可知一帧数据有11位（1位起始位+8位数据位+1位校验位+1位停止位），其次，波特率为115200，即每秒传输115200bit，那每ms可以传输115.2bit，由于每帧数据有11位，那每ms就可以传输10个字节数据，2ms就可以传输20字节数据。6UART通信

假设UART波特率为115200，数据位为8位，无奇偶校验位，停止位为1位。第1步，获取UART原始波形数据；第2步，按照波特率进行中值采样；第3步，确定起始位、数据位和停止位。7串口发送状态机8串口接收状态机9UART内部电路图

u_uart_rec模块用于从uart_rx_i接收数据，并通过rx_data_o将数据并行输出到u_uart_fifo中缓存，同时产生一个并行数据写脉冲rx_wr_en_o；u_uart_fifo模块用于进行数据的缓存；u_uart_trans模块用于从u_uart_fifo中读取并行数据tx_data_i，将其通过tx_o发送出去，同时产生一个并行数据读脉冲tx_rd_en_o。10u_uart_rec时序图

假设串口接收端收到的一帧数据为0110101001，无校验。11u_uart_trans时序图

假设串口要发送的数据为11010100，无校验。12实验步骤ExperimentalProcedure“10.213实验步骤14步骤1：复制工程文件夹并添加Verilog文件步骤2：完善uart_trans.v文件步骤3：添加uart_fifo步骤4：完善uart_rec.v文件步骤5：完善uart.vhd文件步骤6：仿真工程步骤7：安装CH340驱动步骤8：板及验证本章任务Tasksinthischapter“10.315本章任务16

在本实验的基础上增加数据处理模块，如果接收到的数据对应的ASCII码是十六进制数的0～F，则进行加1（F加1后清零）处理后再将数据发送出去，其余字符则不进行处理。例如，接收到的数据对应的字符是1，则发送字符2的数据；接收到的数据对应的字符是B，则发送字符C的数据；接收到的数据对应的字符是Z，则发送的还是字符Z的数据。本章习题Exercisesinthischapter“10.417本章习题181.简述同步通信和异步通信的特点，UART通信属于两种通信方式中的哪一种？2.简述UART物理层和数据格式。3.假设要进行通信的字符格式为1个起始位、8个数据位、1个奇校验位和1个停止位，请画出通信时字符“C”的