淺談UART通信協(xié)議 UART接收數(shù)據(jù)時序設計

淺談UART通信協(xié)議UART接收數(shù)據(jù)時序設計串口通信也是一個基礎實驗，是FPGA與電腦、單片機、DSP通信的一種最簡單的方案，對通信速率要求不高時可以選擇UART通信。您可能已經(jīng)知道UART時序的控制、波特率的配置等方面的內(nèi)容，但在實際使用時還是會遇到一些問題，比如如何才能恰當?shù)暮推渌K進行銜接？為什么時序明明沒問題，卻無法和其它控制單元成功通信？本文致力于全面解析在設計UART通信時的思路方法。UART通信協(xié)議UART通信的一幀一般由11到12位數(shù)據(jù)組成。1bit的起始位，檢測為低電平表示數(shù)據(jù)開始傳輸；緊接著8bits的數(shù)據(jù)；然后是1bit的奇偶校驗位，可以是奇校驗或者偶校驗；最后是1bit或2bits的停止位，必須為高電平，表示一個字符數(shù)據(jù)的傳輸結(jié)束。其中校驗位是可選的，用來檢驗數(shù)據(jù)是否傳輸正確。如果有校驗位，則需要保證收發(fā)雙方選擇同樣的一種檢驗方式。奇校驗就是保證數(shù)據(jù)中的1是奇數(shù)，比如如果8bit數(shù)據(jù)中有3bits的1，校驗位置0；如果有4bits的1，校驗位置1。偶校驗就是保證數(shù)據(jù)中的1是偶數(shù)。

波特率的配置波特率表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，單位bps，表示位每秒。比如9600bps就表示1s可以傳輸9600bits的數(shù)據(jù)。異步收發(fā)沒有時鐘打拍來控制數(shù)據(jù)的傳輸，就需要保證收發(fā)雙方在波特率設置上的一致。確保接收數(shù)據(jù)的完整性。程序中通常使用16倍速率對UART通信時序進行采樣，則UART通信所需的時鐘就是16*bps，如9600bps通信所需的驅(qū)動時鐘大小就是16*9600=153.6kHz。程序中可以使用一個計數(shù)器對系統(tǒng)時鐘分頻產(chǎn)生UART通信時鐘。//分頻生成UART通信時鐘always@（posedgeclk50ornegedgerst_n）if（！rst_n）beginclkout《=1‘b0;cnt《=0;endelseif（cnt==16’d162）begin//近似50%占空比clkout《=1‘b1;cnt《=cnt+16’d1;endelseif（cnt==16‘d325）begin//50M/（16*9600）clkout《=1’b0;cnt《=16‘d0;endelsecnt《=cnt+16’d1;UART發(fā)送數(shù)據(jù)時序設計通常我們程序中都會設計一個UART發(fā)送數(shù)據(jù)的開始信號，對這個開始信號的處理方法和“FPGA基礎設計（二）：PS2鍵盤控制及短按、長按”這篇文章對按鍵有效信號處理的方法相同，采用一級寄存，然后進行邏輯判斷，從而產(chǎn)生一個時鐘寬度的有效信號。那么當檢測到有效信號時便可以啟動UART發(fā)送數(shù)據(jù)的過程。//檢測發(fā)送命令wrsig的上升沿always@（posedgeclk）beginwrsigbuf《=wrsig;wrsigrise《=（~wrsigbuf）&wrsig;end//啟動串口發(fā)送程序always@（posedgeclk）if（wrsigrise&&（~idle））//當發(fā)送命令有效且線路為空閑時，啟動新的數(shù)據(jù)發(fā)送進程send《=1‘b1;elseif（cnt==8’d168）//一幀數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束send《=1‘b0;UART是按單bit發(fā)送的，因此在控制時序時可以使用一個計數(shù)器控制，在對應的計數(shù)位送出對應的數(shù)據(jù)。由于我們使用的是16倍時鐘采樣，因此每個數(shù)據(jù)位之間的計數(shù)間隔便是16，一次完整的發(fā)送過程如下所示：//串口發(fā)送程序，16個時鐘發(fā)送一個bitalways@（posedgeclkornegedgerst_n）beginif（！rst_n）begintx《=1’b0;idle《=1‘b0;cnt《=8’d0;presult《=1‘b0;endelseif（send==1’b1）begincase（cnt）//產(chǎn)生起始位8‘d0：begintx《=1’b0;idle《=1‘b1;cnt《=cnt+8’d1;end8‘d16：begintx《=datain［0］;//發(fā)送數(shù)據(jù)0位presult《=datain［0］^paritymode;idle《=1’b1;cnt《=cnt+8‘d1;end8’d32：begintx《=datain［1］;//發(fā)送數(shù)據(jù)1位presult《=datain［1］^presult;idle《=1‘b1;cnt《=cnt+8’d1;end8‘d48：begintx《=datain［2］;//發(fā)送數(shù)據(jù)2位presult《=datain［2］^presult;idle《=1’b1;cnt《=cnt+8‘d1;end8’d64：begintx《=datain［3］;//發(fā)送數(shù)據(jù)3位presult《=datain［3］^presult;idle《=1‘b1;cnt《=cnt+8’d1;end8‘d80：begintx《=datain［4］;//發(fā)送數(shù)據(jù)4位presult《=datain［4］^presult;idle《=1’b1;cnt《=cnt+8‘d1;end8’d96：begintx《=datain［5］;//發(fā)送數(shù)據(jù)5位presult《=datain［5］^presult;idle《=1‘b1;cnt《=cnt+8’d1;end8‘d112：begintx《=datain［6］;//發(fā)送數(shù)據(jù)6位presult《=datain［6］^presult;idle《=1’b1;cnt《=cnt+8‘d1;end8’d128：begintx《=datain［7］;//發(fā)送數(shù)據(jù)7位presult《=datain［7］^presult;idle《=1‘b1;cnt《=cnt+8’d1;end8‘d144：begintx《=presult;//發(fā)送奇偶校驗位presult《=datain［0］^paritymode;idle《=1’b1;cnt《=cnt+8‘d1;end8’d160：begintx《=1‘b1;//發(fā)送停止位idle《=1’b1;cnt《=cnt+8‘d1;end8’d168：begintx《=1‘b1;idle《=1’b0;//一幀數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束cnt《=cnt+8‘d1;enddefault：t《=cnt+8’d1;endendcaseendelsebegintx《=1‘b1;cnt《=8’d0;idle《=1‘b0;endendUART接收數(shù)據(jù)時序設計UART接收數(shù)據(jù)的過程和發(fā)送數(shù)據(jù)的過程是恰好相反的。區(qū)別只在于UART發(fā)送的開始信號和發(fā)送數(shù)據(jù)端tx是從FPGA內(nèi)部的其它模塊產(chǎn)生的；而UART接收的開始信號和接收數(shù)據(jù)段rx送來的數(shù)據(jù)來自其它設備，因此需要對外部送來的信號進行監(jiān)測。一幀數(shù)據(jù)的開始位是低電平有效，因此當檢測到rx線上的下降沿時就表示數(shù)據(jù)通信的開始：always@（posedgeclk）//檢測線路的下降沿beginrxbuf《=rx;rxfall《=rxbuf&（~rx）;end//啟動串口接收程序always@（posedgeclk）if（rxfall&&（~idle））//檢測到線路的下降沿并且原先線路為空閑，啟動接收數(shù)據(jù)進程receive《=1‘b1;elseif（cnt==8’d168）//接收數(shù)據(jù)完成receive《=1‘b0;接收數(shù)據(jù)的過程和發(fā)送一樣，用一個計數(shù)器來控制，這里不再贅述。發(fā)送與接收數(shù)據(jù)的打包UART一次通信只能完成一幀，即傳輸一個8bits的數(shù)據(jù)，然而我們通常需要很多幀來組成一次完整的通信。如一種簡單常用的氣象采集站通信格式為：“FF（開始幀）+雨量+溫度+濕度+氣壓+風速+風向+CRC校驗+FE（結(jié)束幀）”。這種情況下可以建立一組寄存器專門存儲發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)。比如發(fā)送時可以做如下處理：/********************************************///存儲待發(fā)送的串口信息/********************************************/reg［7:0］uart_ad［7:0］;//存儲發(fā)送字符always@（clk）begin//定義發(fā)送的字符if（uart_stat==3‘b000）beginuart_ad［0］《=8’hFF;uart_ad［1］《=rain;uart_ad［2］《=temp;uart_ad［3］《=humi;uart_ad［4］《=winddir;uart_ad［5］《=windspeed;uart_ad［6］《=CRC16;uart_ad［7］《=8‘hFE;endend接收的原理類似，只不過接收是在通信過程中接收。這樣我們使用一個計數(shù)器控制，并檢測串口通信的狀態(tài)，依次將這組寄存器中的值按發(fā)送順序傳入UART發(fā)送數(shù)據(jù)模塊即可。