1開發板串口簡介

DE23-Lite開發板提供了一個UART通信接口(物理接口是下圖的Type C接口），用戶能夠通過主機與Agilex 3 FPGA進行串口通信。

該接口使用DE23-Lite板載的USB Blaster III電路中的FT2232H芯片作為UART轉USB的橋梁。將USB線連接到DE23-Lite板的Type-C接口和主機之間，即可啟用USB Blaster III和FPGA UART功能，此時無需串行驅動程序，但用戶在使用UART功能前需要確保已安裝USB Blaster III驅動程序。

連接USB線后，通常在PC設備管理器中會顯示USB Blaster III和一個COM端口號。

2實驗任務

設計一個串口回環實驗，實現上位機發送數據給開發板串口，串口接收數據后又通過串口發送給上位機。

串口時序圖如下：

要求：數據位為8位， 停止位1位，無校驗位，波特率115200bps。

3模塊設計

DE23-Lite的串口回環設計主要是2個模塊：串口發送模塊（發送數據時將并行的數據轉換成串行數據進行傳輸）和串口接收模塊（在接收數據時將接收到的串行數據轉換成并行數據）。

系統時鐘是50MHz，波特率是115200bps，那么串口發送和接收時，數據的每個位將占用50000000/115200 ≈ 434個時鐘周期。

在串口接收模塊設置一個4狀態的狀態機：

空閑狀態：在空閑狀態下，檢測起始位(低電平)。一旦檢測到起始位，進入START狀態，并設置計數器在半位時間后采樣，這樣可以確保在位的中心點采樣，提高抗噪能力。

起始位檢測狀態：等待半個位周期后，再次檢查線路狀態。如果仍然是低電平，確認是有效的起始位，進入DATA狀態；否則認為是噪聲干擾，返回IDLE狀態。

數據位接收狀態：在每個位周期的中心點采樣數據位，并存入移位寄存器。接收完8位數據后，進入STOP狀態。

停止位處理狀態：等待一個完整的位周期(停止位)，然后將接收到的數據輸出，并產生一個時鐘周期的接收完成信號。

接收模塊工程代碼：

moduleuart_rx(
 input clk,
 input rst_n,
 input uart_rx,
 output reg [7:0] rx_data,
 output reg rx_done
);


parameterCLK_FREQ=50000000;
parameterBAUD_RATE=115200;
 
 //波特率計數器
 localparam BAUD_CNT_MAX=CLK_FREQ/BAUD_RATE;
 localparam HALF_BAUD_CNT=BAUD_CNT_MAX/2;
 reg [15:0] baud_cnt;
 
 //狀態定義
 localparam IDLE=2'd0;
 localparam START = 2'd1;
 localparam DATA=2'd2;
 localparam STOP = 2'd3;
 
 reg [1:0] state;
 reg [2:0] bit_cnt;
 reg [7:0] rx_reg;
 reg uart_rx_sync1, uart_rx_sync2;
 
 //同步輸入信號
always @(posedge clkornegedge rst_n)begin
 if(!rst_n)begin
  uart_rx_sync1<=?1'b1;
? ? uart_rx_sync2 <= 1'b1;
??end?else?begin
? ? uart_rx_sync1?<=?uart_rx;
? ? uart_rx_sync2?<=?uart_rx_sync1;
??end
end
? ??
? ??//?狀態機
always @(posedge clk?or?negedge rst_n)?begin
? if(!rst_n)?begin
? ? state?<=?IDLE;
? ? rx_data?<=?8'd0;
? ? rx_done <= 1'b0;
? ? baud_cnt?<=?0;
? ? bit_cnt?<=?0;
? ? rx_reg?<=?0;
??end
??else?begin
? ? rx_done?<=?1'b0; ? ??
? ? case (state)
? ? ? IDLE: begin
? ? ? ? if(uart_rx_sync2 == 1'b0)?begin??//?檢測起始位
? ? ? ? ? state?<=?START;
? ? ? ? ? baud_cnt?<=?HALF_BAUD_CNT?-?1; ?//?半位時間后采樣
? ? ? ??end
? ? ??end
? ? ? ? ? ? ? ??
? ? ??START:?begin
? ? ? ? if(baud_cnt?==?0)?begin
? ? ? ? ? if(uart_rx_sync2?==?1'b0) begin ?// 確認起始位
? ? ? ? ? ? state <= DATA;
? ? ? ? ? ? baud_cnt <= BAUD_CNT_MAX - 1;
? ? ? ? ? ? bit_cnt <= 0;
? ? ? ? ? end
? ? ? ? ? else begin
? ? ? ? ? ? state <= IDLE; ?// 假起始位
? ? ? ? ? end
? ? ? ? end else begin
? ? ? ? ? baud_cnt <= baud_cnt - 1;
? ? ? ? end
? ? ? end
? ? ? ? ? ? ? ??
? ? ? DATA: begin
? ? ? ? if(baud_cnt == 0) begin
? ? ? ? ? rx_reg[bit_cnt] <= uart_rx_sync2;
? ? ? ? ? if (bit_cnt == 3'd7)?begin
? ? ? ? ? ? state?<=?STOP;
? ? ? ? ??end
? ? ? ? ??else?begin
? ? ? ? ? ? bit_cnt?<=?bit_cnt?+?1;
? ? ? ? ??end
? ? ? ? ? baud_cnt?<=?BAUD_CNT_MAX?-?1;
? ? ? ??end?
? ? ? ??else?begin
? ? ? ? ? baud_cnt?<=?baud_cnt?-?1;
? ? ? ??end
? ? ??end
? ? ? ? ? ? ? ??
? ? ? STOP:?begin
? ? ? ? if(baud_cnt?==?0)?begin
? ? ? ? ? rx_data?<=?rx_reg;
? ? ? ? ? rx_done?<=?1'b1;
? ? ? ? ? state <= IDLE;
? ? ? ? end
? ? ? ? else begin
? ? ? ? ? baud_cnt <= baud_cnt - 1;
? ? ? ? end
? ? ? end
? ? endcase
? end
end


endmodule

串口發送模塊同樣設置了一個4狀態的狀態機：

空閑狀態：空閑狀態保持高電平。

起始位發送狀態：發送起始位，低電平。

數據發送狀態：數據位從最低位(LSB)開始發送，這是UART的標準格式。

停止位發送狀態：發送停止位，高電平。

串口發送模塊的工程代碼：

module uart_tx(
 input clk,
 input rst_n,
 input tx_start,
 input [7:0] tx_data,
 output reg uart_tx,
 output tx_busy
);


parameterCLK_FREQ =50000000;
parameterBAUD_RATE =115200;
 
  // 波特率計數器
 localparam BAUD_CNT_MAX = CLK_FREQ / BAUD_RATE;
 reg [15:0] baud_cnt;
 wire baud_tick = (baud_cnt ==0);
 
  // 狀態定義
 localparam IDLE =2'd0;
 localparam START = 2'd1;
 localparamDATA=2'd2;
 localparam STOP = 2'd3;
 
 reg [1:0] state;
 reg [2:0] bit_cnt;
 reg [7:0] tx_reg;
 
  // 波特率計數器
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
  baud_cnt <=?0;
??end
??elseif(state != IDLE)?begin
? ??if(baud_cnt ==?0)?begin
? ? ? baud_cnt <= BAUD_CNT_MAX -?1;
? ??end
? ??else?begin
? ? ? baud_cnt <= baud_cnt -?1;
? ??end
??end
??else?begin
? ? baud_cnt <=?0;
??end
end
? ??
? ? // 狀態機
always?@(posedge clk or negedge rst_n)?begin
??if(!rst_n)?begin
? ? state <= IDLE;
? ? uart_tx <=?1'b1;
? ? bit_cnt <= 0;
? ? tx_reg <= 0;
? end
? else begin
? ? case(state)
? ? ? IDLE: begin
? ? ? ? uart_tx <= 1'b1;
? ? ? ??if?(tx_start)?begin
? ? ? ? ? state <=?START;
? ? ? ? ? tx_reg <= tx_data;
? ? ? ??end
? ? ??end
? ? ? ? ? ? ? ??
? ? ??START:?begin
? ? ? ??if(baud_tick)?begin
? ? ? ? ? uart_tx <=?1'b0;
? ? ? ? ? state <= DATA;
? ? ? ? ? bit_cnt <= 0;
? ? ? ? end
? ? ? end
? ? ? ? ? ? ? ??
? ? ? DATA: begin
? ? ? ? if(baud_tick) begin
? ? ? ? ? uart_tx <= tx_reg[bit_cnt];
? ? ? ? ? if (bit_cnt == 3'd7)?begin
? ? ? ? ? ? state <= STOP;
? ? ? ? ??end
? ? ? ? ??else?begin
? ? ? ? ? ? bit_cnt <= bit_cnt +?1;
? ? ? ? ??end
? ? ? ??end
? ? ??end
? ? ? ? ? ? ? ??
? ? ? STOP:?begin
? ? ? ??if(baud_tick)?begin
? ? ? ? ? uart_tx <=?1'b1;
? ? ? ? ? state <= IDLE;
? ? ? ? end
? ? ? end
? ? endcase
? end
end
? ??
? ? assign tx_busy = (state != IDLE);


endmodule

top文件代碼要完成的任務是：

只有在檢測到接收完成信號的上升沿時才啟動發送

只有在發送器不忙時才啟動新的發送

實現了接收數據到發送數據的無縫銜接

moduleDE23_Lite_uart(
 input clk,
 input rst_n,
 input uart_rx,
 output uart_tx
);


/* synthesis keep */wire [7:0] rx_data;
 wire rx_done;
 wire rx_done_rise,tx_start;
 wire tx_busy;
 
 // UART接收模塊
 uart_rx#(
  .CLK_FREQ(50000000),
  .BAUD_RATE(115200)
  ) uart_rx_inst (
  .clk(clk),
  .rst_n(rst_n),
  .uart_rx(uart_rx),
  .rx_data(rx_data),
  .rx_done(rx_done)
 );
 
 // UART發送模塊
 uart_tx#(
  .CLK_FREQ(50000000),
  .BAUD_RATE(115200)
 ) uart_tx_inst (
  .clk(clk),
  .rst_n(rst_n),
  .tx_start(tx_start),
  .tx_data(rx_data),
  .uart_tx(uart_tx),
  .tx_busy(tx_busy)
 );
 
 // 回環控制邏輯
 reg rx_done_reg;
 always @(posedge clkornegedge rst_n)begin
 if(!rst_n) begin
   rx_done_reg <=?1'b0;
? ? end?else?begin
? ? ? rx_done_reg <= rx_done;
? ? end
? end
? ??
? ??// 檢測接收完成的上升沿
? assign rx_done_rise = rx_done && !rx_done_reg;
? ??
? ??// 發送啟動信號
? assign tx_start = rx_done_rise && !tx_busy;


endmodule

仿真代碼：

`timescale1ns/1ps


module DE23_Lite_uart_tb;


 // 輸入
 reg clk;
 reg rst_n;
 reg uart_rx;
 
 // 輸出
 wire uart_tx;
 
 // 測試參數
 parameter CLK_PERIOD =20; // 50MHz時鐘周期
 parameter BIT_PERIOD =8680;// 115200波特率的位周期(1/115200 ≈ 8.68μs)
 
 // 實例化頂層模塊
DE23_Lite_uartuut(
 .clk(clk),
 .rst_n(rst_n),
 .uart_rx(uart_rx),
 .uart_tx(uart_tx)
 );
 
 // 時鐘生成
 always begin
  clk =0;
 #(CLK_PERIOD/2);
  clk =1;
 #(CLK_PERIOD/2);
 end
 
 // 測試任務：發送一個字節
 task send_byte;
  input [7:0] data;
  integer i;
  begin
     // 發送起始位
   uart_rx =0;
  #(BIT_PERIOD);    
     // 發送8個數據位
  for(i =0; i 

	

	modelsim仿真波形：

	

	可以看到：

	第一個波特位時間內，rx先發送低電平起始位，然后發送8bit數據01010101（低位在前，8'h55），最后發送高電平停止位；tx則一直是高電平。

	第二個波特位時間內，rx先發送低電平起始位，然后rx發送第二個測試數據10101010（低位在前，8'hAA），最后發送高電平停止位；tx則接收到8bit數據01010101。

	第三個波特位時間內，rx先發送低電平起始位，然后rx接收第二個測試數據11110000（低位在前，8'hF0），最后發送高電平停止位；tx則接收到8bit數據10101010。

	第四個波特位時間內，rx先發送低電平起始位，然后rx接收第二個測試數據00001111（低位在前，8'h0F），最后發送高電平停止位；tx則接收到8bit數據11110000。

	第五個波特位時間內，rx保持高電平；tx則接收到8bit數據00001111。

	Quartus版本選擇：25.1，具體操作參考文章最新版Quartus Prime Pro 25.1 的安裝和使用演示（含Questa仿真）

	引腳分配：

	

	4下板測試

	

	打開串口工具比如Putty或者是下面截圖所示的XCOM，然后按照如下操作去測試：

	選擇正確的COM口

	波特率設置為115200

	停止位設置為1位

	無校驗位

	點擊打開串口

	在發送窗口隨便發送數據，可以看到上面接收窗口得到同樣的數據顯示，表示測試成功。