原创 VHDL实验三：设计UART串行传输模块

一、  实验原理：

1、  概述

UART的全称是通用异步收发器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），是实现设备之间低速数据通信的标准协议。“异步”指不需要额外的时钟线进行数据的同步传输，是一种串行总线接口，只需占用两根线就可以完成数据的收发（一根接收数据，一根发送数据），常用的标准通信波特率有9600bps、115200bps等。

2、 通信协议与帧格式

UART一帧由起始位、数据位、校验位和停止位组成。数据逐位传输，示意图如图 1.1所示。

a)  起始位

UART空闲时（没有数据传输），总线为高电平（逻辑1），当需要数据传输时，首先发送一个“起始位”，起始位为一个低电平“逻辑0”。

为什么需要起始位？

因为UART没有控制线，要让接收方知道什么时候开始接收数据，需要一些手段，在UART，数据的传输只有一根线，所以在发送数据之前，先发一位逻辑“0”作为数据发送的起始标志，接收方在空闲时，当检测到有一个低电平，则开始接逐位接收数据。

b)  数据位

如图 1.1的“2.”所示，紧挨着“起始位”的是数据位，它可以是5、6、7或8位，收/发双方在数据开始传输前，需要对双方数据位位数作一致的定义，否则会导致数据的传输错误；数据位的发送采用低位（LSB）先发送。

为什么数据位可变？

因为UART是一种低速总线，每多发一位都占用不少的时间（由传输波特波决定），所以可以传输数据的特点，采用不同位数据的波特率以节约时间。如在Modbus协议中，Modbus-ASCII是以ASCII码传输的，因为ASCII是不会大于0x7F，所以使用7位的数据位，而Modbus-RTU则采用8位的数据位。

c)  校验位

UART的校验位紧挨着数据位，采用奇/偶位校验方式，可有可无，是为了为了验证数据传输的安全性而设置的，在收/发双方进行数据传输前要预设好是否需要校验位，如果需要则是奇校验还是偶校验。如图 1.1的“3.”所示。

为什么需要校验?

UART长距离数据传输时，使用RS-232、RS-485传输，一般使用较长的导线连接收/发设备，其工作现场因存在不同程序的干扰，可能会导致数据的传输错误，加个校验位可作初步的校验，如果校验出错，说明数据是不可靠的，直接丢弃；如果校验通过，则数据有一定的可靠性，可进入下一级的校验，通常加入通信协议，如Modbus-RTU引入了CRC校验。

d)  停止位

UART的帧以停止位作为停止标志，是在数据位（没有校验位）和校验位（有校验位）之后发送1~2位的逻辑“1”。停止为可以为1位、1.5位和2位。当发送完停止位之后，UART总线进入空闲。

e)  空闲

空闲指UART总线上没有数据进行传输，表现为发送方输出逻辑“1”，在空闲时，接收方时刻监视UART总线上电平变化，当发现起始化，则进入数据接收状态，直至接收完一帧数据，如果最后没有检测到停止位，则标志帧错误。

f)  波特率（Baudrate）

由于UART没有同步时钟线，收/发双方如果需要进行正确的数据传输，则要在收/发双方定义一致的位时钟，位时钟可以理解为UART总线一个位所占用的时间，即“波特率”。在定义上，收/发双方的波特率可以是随意的，只需要保持一致，如双方都是1000bps，但是，这不能兼容现有常用的设备，兼容性差。所以在工程应用中，常用一些特定的波特率真，如4800bps、9600bps或115200bps等。

如果波特率是9600bps，则传输速度最大是多少?

波特率的单位是bps（位每秒），是指发送一位所占用的时间。如果UART定义8位数数位、无校验、1位停止位。则一帧数据的位数N如公式（3）所示：

N = 1位起始位+8位数据位+0位校验位+1位停止位=10bits 公式（3）

所以最大数据传输率为：9600bps / N = 960BPS（字节每秒）。

即当波特率为9600rps，UART帧格式为8位数据位、无校验、1位停止位时，最大的数据传输率为0.96KBPS。

g)  常用帧格式

如图 1.3所示为8位数据位、无校验位、1位停止位的帧格式示意图，一帧共有10位。发送的数据为0xA5。

3、  硬件接口

a）RS-232连接器

RS-232的连接器常用的是DB-9，其连接器示意图如图 1.6所示，为九针连接器。对于常用的简单应用，使用到的有三根线：RxD、TxD和GND。串口接口头分公母接头，下面所示为母的接头。

实物图如图 1.7所示。

b）              电平转换电路（与计算机连接）

二、实验过程

有了上面的理论基础我们就可以开始设计一个UART的串行传输模块了。

1、 系统框图的设计：

系统的传输取决于波特率的大小，所以要设计一个专门产生波特率计数，实质上是对系统时钟频率进行分频。由于是单线发送和接收，实现了全双工传输，实质上是相当于串行序列接收与发生，只不过这个序列是有一定的通信格式而已。下面是两个系统的框图设计：

图2.1接收模块系统框图

图2.2发送模块的系统框图

2、 波特率计数器设计：

我们以9600的波特率，50MHZ的时钟晶振举例说明：由上面的理论知识我们可以知道，9600bps，则表示传输一位的时间需要1/9600s。时钟晶振为50MHZ，则一个时钟脉冲周期为：1/50M s。则串行传输一位的时间长度需要50M/9600=5208个时钟脉冲周期，半周期为2604个时钟脉冲周期。这个波特率时钟脉冲就可以由系统时钟脉冲分频所得。

程序设计：

--工程名：时钟分频器

--功能：实现对时钟脉冲的分频，产生9600波特率时钟脉冲

--时间：2010-12-10

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

use ieee.std_logic_unsigned.all;

use ieee.std_logic_arith.all;

entity speed_select is

   port(clk:in std_logic;--时钟信号

        rst:in std_logic;--复位信号，低电平有效

        bps_start:in std_logic;--信号开始传输信号

        clk_bps:out std_logic);--波特率信号

end entity;

architecture behav of speed_select is

constant bps_para: integer :=5207;

constant bps_para_2: integer :=2603;

signal cnt:integer range 0 to bps_para:=0;

begin

  process(clk)  --计数进程

  begin

  if(rst='0') then

   cnt<=0;

   elsif rising_edge(clk) then

    clk_bps<='1';             --后半周期置1

   if (cnt<bps_para_2) then   --前半周期置0

    clk_bps<='0';

    cnt<=cnt+1;                --不断自加计数

     elsif cnt<bps_para then

       cnt<=cnt+1;

       else cnt<=0;           --计数完成对cnt进行清零

    end if;

    if(bps_start='0') then    ---数据开始传输对cnt进行清零

       cnt<=0;

     end if; 

   end if;

   end process;

 end behav;

仿真结果如下：

3、 串行数据接收器设计：

串行数据是在波特率时钟脉冲下传输的。根据ＵＡＲＴ的常用串行传输协议（１位低电平起始位，８位数据位，无检验位，１位停止位），我们可以设计出如下的状态机：

程序设计如下：

--工程名：UART串行接收器

--功能：实现对RXD串行数据接收，转换成8位数据并行输出

--时间：2010-12-10

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

use ieee.std_logic_unsigned.all;

use ieee.std_logic_arith.all;

entity uart_rx is 

   port(

        rst:in std_logic;  --复位信号，低电平有效

        rx:in std_logic;--RXD串行数据输入

        clk_bps:in std_logic;--波特率信号

        rx_data:out std_logic_vector(7 downto 0);  --8位并行数据输出

        rx_int:out std_logic;--中断传输信号

        bps_start:out std_logic--信号开始传输信号

        );

end entity; 

architecture asm of uart_rx is

signal shifter:std_logic_vector(7 downto 0);

signal bitstate:integer range 0 to 10:=0;

begin

  process(clk_bps,rst,rx)   --接收进程

   begin

   if(rst='0') then    --复位信号

      bitstate<=0;

      shifter<="ZZZZZZZZ";

      elsif(rising_edge(clk_bps)) then 

       if(bitstate=0) then       --状态0 判断有没有数据输入

         if(rx='0') then

             bitstate<=bitstate+1;

             bps_start<='1';

          end if;

           elsif(bitstate=9) then    --状态9 数据接收完成

                 bitstate<=0;

                 bps_start<='0';       

             else                   --其他状态接收1-8为数据，停止位不检查

                 shifter(0)<=rx;

                 shifter(7 downto 1)<=shifter(6 downto 0);

                 bps_start<='0';

                 bitstate<=bitstate+1;

            end if;

           end if; 

    end process;

    process(clk_bps,rst)   --输出进程

     begin

     if(rst='0') then

         rx_data<="00000000";

         rx_int<='0';

      elsif(bitstate=9) then   

          rx_data<=shifter;  --数据输出

          rx_int<='1';

          else

         rx_int<='0';

         rx_data<="ZZZZZZZZ";

       end if; 

     end process;    

end asm;  

仿真结果如下：

4、 串行数据发送器设计：

--工程名：UART串行发送器

--功能：实现对８位并行输入数据，转换成TXD串行数据发送

--时间：2010-12-10

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

use ieee.std_logic_unsigned.all;

use ieee.std_logic_arith.all;

entity uart_tx is 

   port(

        rst:in std_logic;  --复位信号，低电平有效

        rx_data:in std_logic_vector(7 downto 0);  --8位并行数据输入

        rx_int:in std_logic;--中断传输信号

        clk_bps:in std_logic;--波特率信号

        tx:out std_logic;--TXD串行数据输出

        bps_start:out std_logic--信号开始传输信号

        );

end entity; 

architecture asm of uart_tx is

signal shifter:std_logic_vector(7 downto 0);

type state is(s0,s1,s2,s3);

begin

  process(clk_bps,rst)

  variable cnt:integer range 0 to 8;

  variable present_state:state;

    begin

    if(rst='0') then

       tx<='1';

       bps_start<='0';

       elsif(rising_edge(clk_bps)) then

             case present_state is

              when s0=>  --判定有没有并行数据输入

                   if(rx_int='1') then

                    shifter<=rx_data;

                    bps_start<='1';

                    tx<='1';

                    present_state:=s1;

                    else

                    tx<='1';

                    present_state:=s0;

                    end if;

              when s1=>  --状态1，低电平起始位输出

                    tx<='0';

                    bps_start<='0';

                    present_state:=s2;

              when s2=>  --状态2,8位数据移位输出

                     if(cnt<8) then

                      tx<=shifter(cnt);

                      bps_start<='0';

                      cnt:=cnt+1;

                      present_state:=s2;

                      else

                      cnt:=0;

                      bps_start<='0';

                      present_state:=s3;

                      end if;

               when s3=>  --状态3，高电平停止位输出

                      tx<='1';

                      bps_start<='0';

                      present_state:=s0;

            end case;

         end if;

    end process;

 end asm;

仿真结果如下：

图形化设计：

利用Quartus集成的仿真软件，比较难检验生成的总体图形文件，这里就不做仿真了。

每个模块都是经过仿真测试的。估计没有什么问题了。

实验总结：通过本次实验进一步熟悉了对FPGA的开发流程。之前一直用这个UART通信，但是由于单片机将这个模块集成化了，也只是在用，没有深入去了解，通过本次实验对这个串口通信协议有了刨根式的了解。通过本次实验，我也深刻的体会到一个项目的开展过程，首先要对项目的理论知识深入理解，才能很好的开展项目，同时在遇到从来没有遇到过的问题时，要将这个问题化解成自己熟悉的模块，一步一步的实现，不能操之过急。在这个工程中，我们将可以将这个系统化解成三个模块进行开展：波特率发生器（分频器），串行数据接收器（序列接收器），串行数据发送器（序列发生器）。这样的话，不但目标明确，而且将项目分工，加快了项目的进度。这是最后一次实验了，期待着课程设计了，希望这个课程在以后能派上大用场。

主要遇到的问题：

1， 对UART通信协议的理论知识理解：虽然一直在用这个模块，但是却对其如何实现没有真正的了解过，通过本次实验恶补这方面的知识了

2， 项目的构架，对这个工程如何构架，如何将分割成自己熟悉的模块。这个开展这个工程所首要解决的，同时也要花中功夫下去，因为这一步直接关系到下一步开展的。

3， 已经开始熟练VHDL编程了，在语法上面，没有什么好纠结的了，经过上两次的实验后，这次实验还是挺顺利的，慢慢在成长着。