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Yamada_Ryo

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FPGA入门笔记010——UART串口接收模块设计

合集 - FPGA入门笔记(14)
1.FPGA入门笔记0012.# FPGA入门笔记002——译码器3.FPGA入门笔记006——状态机设计实例4.FPGA入门笔记005——阻塞赋值和非阻塞赋值的区别5.FPGA入门笔记004——BCD计数器设计与使用6.FPGA入门笔记003——计数器IP核调用与验证7.FPGA入门笔记013——嵌入式块RAM使用之FIFO8.FPGA入门笔记012——嵌入式块RAM应用之ROM9.FPGA入门笔记011_B——搭建串口收发与存取双口RAM简易应用系统10.FPGA入门笔记011_A——嵌入式块RAM的使用
11.FPGA入门笔记010——UART串口接收模块设计
12.FPGA入门笔记009——UART串口发送模块设计13.FPGA入门笔记008——数码管动态扫描设计与验证14.FPGA入门笔记007_A——按键消抖模块设计与验证（状态机、$random、仿真模型、task语法）
收起

1、串口接收模块原理

​ 当对于数据线 Rs232_Rx 上的每一位进行采样时，一般情况下认为每一位数据的中间点是最稳定的。因此一般应用中，采集中间时刻时的电平即认为是此位数据的电平，如图 1 所示。

image-20240326093443039

图1——串口接收时序图（图中 BPS_CLK 为采样时钟）

​ 但是在实际工业应用中，现场往往有非常强的电磁干扰，只采样一次就作为该数据的电平状态是不可靠的。如果在实际工业应用中对每位数据只采样一次，则结果很有可能恰好采集到被干扰的信号而导致结果出错，因此这里针对性提出以下改进型的单 bit 数据接收方式设计方法，以此来提高数据传输的正确性。

​ 改进型的单 bit 数据接收方式的设计思想为：使用多次采样统计概率的方式进行该数据位高低电平的判定，如图 2 所示。

image-20240326093940909

图2——改进型串口接收方式示意图

​ 在上图中，将每一位数据平均分成了 16 小段。对于 Bit_x 这一位数据，考虑到数据在刚刚发生变化和即将发生变化的这一时期，数据极有可能不稳定（用深灰色标出的两段），在这两个时间段采集数据，很有可能得到错误的结果，因此判定这两段时间的电平无效，采 集时直接忽略。而中间这一时间段（用浅灰色标出），数据本身是比较稳定的，一般都代表了正确的结果。

​ 因此改进型单 bit 数据接收方式对中间段进行多次采样，并统计高低电平发生的概率，6 次采集结果中，取出现次数多的电平作为单 bit 最终采样结果。 例如，采样 6 次的结果分别为 1/1/1/1/0/1/，则取电平结果为 1，若为 0/0/1/0/0/0,，则取电平结果为 0，当 6 次采样结果中 1 和 0 各占一半（各 3 次），则可判断当前通信线路环境非常恶劣，数据不具有可靠性，不进行处理。

2、串口接收模块整体设计

​ 串口接收模块包含三个主要组件：

​ 1、起始位检测进程；

​ 2、波特率时钟生成模块；

​ 3、数据接收进程；

​ 4、数据状态判定模块

​ 基于以上原理，串口接收模块整体框图如图 3 所示，其接口列表如表 1 所示。

image-20240326095301108

图3——串口接收模块整体框图

image-20240326095413252

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表1——串口接收模块接口列表

​ 串口接收模块主要构成之一即为波特率时钟生成模块。这里可根据本节提到的串口接收模块原理部分中提到的过采样方式，即实际的采样频率是波特率的 16 倍，所以得除以16，得出计数值与波特率之间的关系如表 2 所示，其中系统时钟周期为 System_clk_period，这里为 20ns。

3、接口设置

module uart_byte_rx(
    Clk,
    Rst_n,
    Baud_Set,
    Rs232_Rx,
 
    Data_Byte,
    Rx_Done
);
 
    input Clk;
    input Rst_n;
    input [2:0]Baud_Set;
    input Rs232_Rx;
 
    output reg[7:0]Data_Byte;
    output reg Rx_Done;
 
    //起始位检测进程
    reg s0_Rs232_Rx,s1_Rs232_Rx;    //两个同步寄存器（消除亚稳态）
    reg tmp0_Rs232_Rx,tmp1_Rs232_Rx;    //两个暂存寄存器（数据寄存）
    wire neg;
 
    //采样时钟生成模块
    reg [15:0]bps_DR;    //分频计数器最大值
    reg [15:0]div_cnt;  //分频计数器
    reg bps_clk;    //波特率时钟
    reg [7:0]bps_cnt;   //波特率时钟计数器
 
    //数据接收进程
    reg [2:0]r_data_byte [7:0]; //"[7:0]"表示一段数据总共有8位——位长 , "[2:0]"表示每位存储6个数据——位宽
 
    reg [2:0]START_BIT;
    reg [2:0]STOP_BIT;
 
    reg UART_state; //接收结束信号
 
endmodule

4、起始位检测进程

4.1、亚稳态的概念与消除方法

​ 首先，对异步信号Rs232_Rx消除亚稳态。

​ 1、亚稳态的概念：

​ 异步信号：该信号的产生与时钟上升沿无关（例如按键按下）。

​ 同步信号：每次时钟上升沿到来都会产生该信号。

​ 异步信号在输入系统的时候存在两种情况，如图 4 所示：

image-20240326105348608

图4——异步信号在输入系统时存在的两种情况

​ 上图中，系统时钟上升沿采集到异步信号 2 ，此时异步信号 2 处于不定态，对应该信号的D触发器产生了亚稳态的情况，D触发器的输出q产生震荡，震荡一段时间后变为稳定，可能为 1 ，也可能为 0 ，如图 5 所示。

image-20240326111115208

图5——D触发器处于亚稳态时的输出结果

​ 2、亚稳态的消除方法（同步处理、数据寄存、边沿检测）：

​ （1）同步处理

​ 如果此时，该D触发器又加了一级D1，如图 6 所示，若第一级D触发器到第二个时钟上升沿到来时还没稳定，则第二级D触发器也会处于亚稳态，如图 7 所示，

image-20240326111449617

图6——两级D触发器

image-20240326112405439

图7——两级D触发器处于亚稳态时的输出结果

​ 虽然两级D触发器无法保证最终的输出结果是否正确，但至少不会让信号处于不定态，能保证第二级D触发器输出结果是稳定的，所以在处理异步信号时，经常对输入信号加入两级D触发器进行同步。

​ 对于异步信号Rs232_Rx而言，加入两个同步寄存器 s0_Rs232_Rx，s1_Rs232_Rx，进行亚稳态的消除，同步后的信号为：s1_Rs232_Rx，如下列代码所示：

    //对异步信号进行同步处理（加入一个两级D触发器，对异步信号Rs232_Rx消除其亚稳态）
    always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
    if(!Rst_n)begin
        s0_Rs232_Rx <= 1'b0;
        s1_Rs232_Rx <= 1'b0;
    end
    else begin  //两级D触发器
        s0_Rs232_Rx <= Rs232_Rx;
        s1_Rs232_Rx <= s0_Rs232_Rx;
    end

​ （2）数据寄存

​ 同时，使用两级D触发器存储两个相邻时钟上升沿时Rs232_Rx信号（已同步到系统时钟域中）的电平状态，如下列代码所示：

    //数据寄存（使用D触发器存储两个相邻时钟上升沿时外部输入信号（已同步到系统时钟域中）的电平状态）
    always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
    if(!Rst_n)begin
        tmp0_Rs232_Rx <= 1'b0;
        tmp1_Rs232_Rx <= 1'b0;
    end
    else begin  //两级D触发器
        tmp0_Rs232_Rx <= s1_Rs232_Rx;
        tmp1_Rs232_Rx <= tmp0_Rs232_Rx;
    end

​ （3）边沿检测

​ 通过检测同步后的Rs232_Rx信号是否产生了下降沿，来检测起始位。

​ 注意 temp0_Rs232_Rx 信号、temp1_Rs232_Rx 信号的先后顺序：temp0_Rs232_Rx后、temp1_Rs232_Rx先

    //边沿检测（通过检测检测同步后的Rs232_Rx信号是否产生了下降沿，来检测起始位）
    //temp0_Rs232_Rx后、temp1_Rs232_Rx先
    assign neg = !tmp0_Rs232_Rx & tmp1_Rs232_Rx;

​

5、采样时钟生成模块

​ 串口接收模块主要构成之一即为波特率时钟生成模块。这里可根据本节提到的串口接收模块原理部分中提到的过采样方式，即实际的采样频率是波特率的 16 倍，所以得除以16，得出计数值与波特率之间的关系如表 2 所示，其中系统时钟周期为 System_clk_period，这里为 20ns。

image-20240326095810600

表2——串口接收模块采样时钟计算

​ 这里依旧使用一个选择器，来实现不同波特率与采样时钟分频计数值之间的对应关系。 设计代码如下所示。

    //查找表（DR_LUT）
    always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
    if(!Rst_n)
        bps_DR <= 16'd324;
    else begin
        case(Baud_Set)
            0:bps_DR <= 16'd324;
            1:bps_DR <= 16'd162;
            2:bps_DR <= 16'd80;
            3:bps_DR <= 16'd53;
            4:bps_DR <= 16'd26;
            default:bps_DR <= 16'd324;
        endcase
    end

​ 现在产生采样时钟，即波特率时钟的 16 倍。

    //分频计数器
    always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
    if(!Rst_n)
        div_cnt <= 16'd0;
    else if(UART_state)begin
        if(div_cnt == bps_DR)
            div_cnt <= 16'd0;
        else
            div_cnt <= div_cnt + 1'b1;
    end
    else
        div_cnt <= 16'd0;
 
    //产生波特率时钟（bps_clk）
    always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
    if(!Rst_n)
        bps_clk <= 1'b0;
    else if(div_cnt == 16'd1)   //当计数器开始工作时，bps_clk就产生一个高脉冲，若计数器计数到bps_DR，则脉冲信号会延后一位。
        bps_clk <= 1'b1;
    else
        bps_clk <= 1'b0;

​ 采样时钟计数器：计数器清零条件之一： bps_cnt == 8'd159 代表一个字节接收完毕。 (bps_cnt == 8'd12 && (START_BIT > 2)) 是实现起始位检测是否出错，在后面会对此进行详细解释。

    //波特率时钟计数器（bps_cnt）
    always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
    if(!Rst_n)
        bps_cnt <= 8'd0;
    else if(Rx_Done | (bps_cnt == 8'd12 && (START_BIT > 2)))    //"bps_cnt == 8'd12 && (START_BIT > 2"指开始信号START错误的情况。
        bps_cnt <= 8'd0;
    else if(bps_clk)
        bps_cnt <= bps_cnt + 1'b1;
    else
        bps_cnt <= bps_cnt;
 
    //接收结束信号生成（Rx_Done）
    always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
    if(!Rst_n)
        Rx_Done <= 1'b0;
    else if(bps_cnt == 8'd159)
        Rx_Done <= 1'b1;
    else
        Rx_Done <= 1'b0;

6、采样数据接收模块设计

​ 以图 2 起始位为例，位于中间的采样时间段对应的 bps_cnt 值分别为 6、7、8、9、10、11，在这些时刻直接累加本位数据。后一位数据位于中间的采样时间段的第一个bps_cnt 值为前一位数据位于中间的采样时间段的第一个 bps_cnt 值加 16，分别为 22、23、24、25、26、27，同样，在这些时刻，直接累加本位数据。以此类推，可以得到其他位的采样时间段对应的 bps_cnt 值。

​ 现解释为何在上面清零条件之一为(bps_cnt == 8'd12 && (START_BIT > 2))，理想情况下（真正的起始位）也就是当 bps_cnt 计数值为 12 时，START_BIT 的计算值应该为0。而在实际中，有可能会出现一个干扰信号，而并非真正的起始信号，也导致下降沿的出现。此时，如果不加判断，直接视之为起始信号，进入接收状态，那么必然会接收到错误数据，也可能导致错过正确数据的接收。为了增加抗干扰能力，这里采用了这样的一种思路：当数据线上出现了下降沿时，先假设它是起始信号，然后对其进行中间段采样。如果这 6 次采样值累加结果大于 2，即 6 次采样中有至少一半的状态为高电平时，那么这显然不符合真正起始信号的持续低电平要求，此时就把刚才到来的下降沿视为干扰信号，而不视为起始信号。

//数据接收进程
    //多路器
    always@(posedge Clk or negedge Rst_n)   //用'*'号可能会出现毛刺，所有用时序逻辑来编写组合逻辑电路，较稳定
    if(!Rst_n)begin
        START_BIT <= 3'd0;
        r_data_byte[0] <= 3'd0;
        r_data_byte[1] <= 3'd0;
        r_data_byte[2] <= 3'd0;
        r_data_byte[3] <= 3'd0;
        r_data_byte[4] <= 3'd0;
        r_data_byte[5] <= 3'd0;
        r_data_byte[6] <= 3'd0;
        r_data_byte[7] <= 3'd0;
        STOP_BIT <= 3'd0;
    end
    else if(bps_clk)begin   //当bps_clk为1的时候才会累加，如果不加上这个判断条件，每当时钟上升沿到来时就会累加，会造成错误的结果
        case(bps_cnt)   //累加计算
            0:begin     //当bps_cnt为0时，对所有寄存器进行清零操作，防止数据一直累加，使得结果错误
                START_BIT <= 3'd0;
                r_data_byte[0] <= 3'd0;
                r_data_byte[1] <= 3'd0;
                r_data_byte[2] <= 3'd0;
                r_data_byte[3] <= 3'd0;
                r_data_byte[4] <= 3'd0;
                r_data_byte[5] <= 3'd0;
                r_data_byte[6] <= 3'd0;
                r_data_byte[7] <= 3'd0;
                STOP_BIT <= 3'd0;
            end
            6,7,8,9,10,11:START_BIT <= START_BIT + s1_Rs232_Rx;
            22,23,24,25,26,27:r_data_byte[0] <= r_data_byte[0] + s1_Rs232_Rx;
            38,39,40,41,42,43:r_data_byte[1] <= r_data_byte[1] + s1_Rs232_Rx;
            54,55,56,57,58,59:r_data_byte[2] <= r_data_byte[2] + s1_Rs232_Rx;
            70,71,72,73,74,75:r_data_byte[3] <= r_data_byte[3] + s1_Rs232_Rx;
            86,87,88,89,90,91:r_data_byte[4] <= r_data_byte[4] + s1_Rs232_Rx;
            102,103,104,105,106,107:r_data_byte[5] <= r_data_byte[5] + s1_Rs232_Rx;
            118,119,120,121,122,123:r_data_byte[6] <= r_data_byte[6] + s1_Rs232_Rx;
            134,135,136,137,138,139:r_data_byte[7] <= r_data_byte[7] + s1_Rs232_Rx;
            150,151,152,153,154,155:STOP_BIT <= STOP_BIT + s1_Rs232_Rx;
            default;    //bps_cnt为其他值时，保持所有寄存器的值不变
        endcase
    end

7、数据状态判定模块设计

​ 在原理部分介绍过，对一位数据需进行 6 次采样，然后取出现次数较多的数据作为采样 结果，也就是说，6 次采样中出现次数多于 3 次的数据才能作为最终的有效数据。

​ 对此，可以用接收到数据 r_data_byte[n]结合数值比较器来判断，也可以直接令其等于当前位的最高位数据。 以下面例子说明 ：当 r_data_byte[n] 分别为二进制的010B/011B/100B/101B 时，这几个数据十进制格式分别为 2d/3d/4d/5d，可以发现大于等 4d 的为 100B/101B。当最高位是 1 即此时的数据累加值大于等于 4d，可以说明数据真实值为1；当最高位是 0 即此时的数据累加值小于等于 3d，可以说明数据真实值为 0，因此只需判 断最高位即可。

	//数据提取
    always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
    if(!Rst_n)
        Data_Byte <= 8'd0;
    else if(bps_cnt == 8'd159)begin
        Data_Byte[0] <= r_data_byte[0][2];   //如果r_data_byte的最高位为1，则代表采样出1的数量大于等于4，则Data_Byte = 1。
        Data_Byte[1] <= r_data_byte[1][2];
        Data_Byte[2] <= r_data_byte[2][2];
        Data_Byte[3] <= r_data_byte[3][2];
        Data_Byte[4] <= r_data_byte[4][2];
        Data_Byte[5] <= r_data_byte[5][2];
        Data_Byte[6] <= r_data_byte[6][2];
        Data_Byte[7] <= r_data_byte[7][2];
    end
 
    //UART_state产生模块
    always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
    if(!Rst_n)
        UART_state <= 1'b0;
    else if(neg)   //检测到下降沿"neg"，开始接收数据
        UART_state <= 1'b1;
    else if(Rx_Done | (bps_cnt == 8'd12 && (START_BIT > 2)))   //接收完成or接收错误（START_BIT信号所采集到的值大于等于三，则START_BIT可能为1，接收错误），停止接收
        UART_state <= 1'b0;
	else
        UART_state <= UART_state;

8、激励创建及仿真测试

​ 完成设计之后，对其进行功能仿真。在下面的 testbench 文件中，使用上一节的发送数据模块的输出来实现产生待测模块数据的输入。因此本节需要的仿真文件，只需串口发送模块的仿真文件基础上，修改端口信息、例化本模块以及将发送模块输出的 Rs232_Tx 连接到接收模块上的 Rs232_Rx 即可。

​ 修改后的仿真文件如下：

`timescale 1ns/1ns
`define clk_period 20
 
module uart_byte_rx_tb;
 
 
    reg Clk;
    reg Rst_n;
    reg [2:0]Baud_Set;
 
    //接收端信号
    wire [7:0]Data_Byte_r;
    wire Rx_Done;
 
    //发送端信号
    reg Send_En;
    reg [7:0]Data_Byte_t;
 
    wire Rs232_Tx;
    wire Tx_Done;
    wire UART_state;
 
//接收模块rx
    uart_byte_rx uart_byte_rx(
        .Clk(Clk),
        .Rst_n(Rst_n),
        .Baud_Set(Baud_Set),
        .Rs232_Rx(Rs232_Tx),    //"uart_byte_tx"模块发送的数据"Rs232_Tx"，通过"uart_byte_rx"模块的"Rs232_Rx"端口接收
 
        .Data_Byte(Data_Byte_r),    //"Data_Byte_r"表示接收的信号
        .Rx_Done(Rx_Done)
    );
 
//发送模块tx
    uart_byte_tx uart_byte_tx(
        .Clk(Clk),
        .Rst_n(Rst_n),
        .Send_En(Send_En),
        .Data_Byte(Data_Byte_t),    //"Data_Byte_t"表示发送的信号
        .Baud_Set(Baud_Set),
 
        .Rs232_Tx(Rs232_Tx),
        .Tx_Done(Tx_Done),
        .UART_state(UART_state)
    );
 
//时钟激励源
    initial Clk = 1'b1;
    always#(`clk_period/2) Clk = ~Clk;
 
    initial begin
        //发送数据
        Rst_n = 1'b0;
        Data_Byte_t = 8'b0;
        Send_En = 1'b0;
        Baud_Set = 3'd4;
 
        #(`clk_period*20 + 1)   //让复位信号不与时钟边沿对其，更好观察时序关系
        Rst_n = 1'b1;
 
        #(`clk_period*50)
        Data_Byte_t = 8'haa;
        Send_En = 1'b1;
        #`clk_period
        Send_En = 1'd0;
 
        @(posedge Tx_Done)  //当Tx_Done信号出现上升沿时，进行接下来的语句
 
        #(`clk_period*5000)
        Data_Byte_t = 8'h55;
        Send_En = 1'b1;
        #`clk_period
        Send_En = 1'd0;
 
        @(posedge Tx_Done)
        #(`clk_period*5000)
        $stop;
    end
 
endmodule

9、建立顶层文件进行板级验证

建立一个顶层文件"uart_byte_rx_top.v"，将串口接收模块与issp模块添加进去，代码如下：

module uart_byte_rx_top(
    Clk,
    Rst_n,
    Rs232_Rx
);
 
    input Clk;
    input Rst_n;
    input Rs232_Rx;
 
    reg [7:0]Data_rx_r;  //只有接收成功时（Rx_Done == 1'b1）才会把"Data_rx"更新到"Data_rx_r"中
 
    wire [7:0]Data_rx;
    wire Rx_Done;
 
    uart_byte_rx uart_byte_rx(
        .Clk(Clk),
        .Rst_n(Rst_n),
        .Baud_Set(3'd0),    //波特率为9600
        .Rs232_Rx(Rs232_Rx),
 
        .Data_Byte(Data_rx),
        .Rx_Done(Rx_Done)
    );
 
    issp issp(
        .probe(Data_rx_r),
        .source()
    );
 
    always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
    if(!Rst_n)
        Data_rx_r <= 8'd0;
    else if(Rx_Done)
        Data_rx_r <= Data_rx;
    else
        Data_rx_r <= Data_rx_r;
 
endmodule

​ 与发送模块不同，这里使用的是 ISSP 的探针功能对本次数据接收模块进行板级调试与验证。按如下方式配置好以后，将其加入到工程中。

image-20240328160119791

​ 代码中，RX_Done 信号为接收完成信号，只有接收成功后才采集下一次数据，符合实际使用情况。

本文作者：Yamada_Ryo

本文链接：https://www.cnblogs.com/little55/p/18101963

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