FPGA_UART

1.UART 概述 （通用异步收发传输器）

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1. 基本定义

UART （Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是一种常见的串行通信协议 ，用于在设备间通过异步串行通信 传输数据。它不依赖独立的时钟信号，而是通过预定义的波特率（Baud Rate） 同步数据的收发。 核心特点：

• 异步通信：无需共享时钟信号，仅通过数据线传输。
• 全双工模式：收发双方可同时发送和接收数据（需独立TX、RX线）。
• 灵活配置：支持自定义波特率、数据位长度、校验位、停止位等。

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2. 工作原理

(1) 数据传输格式

每一帧数据包含以下部分（以典型8N1格式为例）：

起始位	数据位（8位）	校验位（可选）	停止位（1位）
1位，低电平	LSB先发	奇偶校验（可选）	1位，高电平

• 起始位：低电平（0）表示数据传输开始。
• 数据位 ：传输的有效数据（5~9位），通常低位（LSB）先发送（如用户之前的案例）。
• 校验位：用于简单错误检测（奇校验/偶校验/无校验）。
• 停止位：高电平（1）表示一帧数据结束，并允许接收端校准时序。

(2) 异步同步机制

• 波特率校准 ：收发双方必须使用相同的波特率（如115200、9600）。 例如：

复制

波特率115200 → 每位持续时间 ≈ 1/115200 ≈ 8.68μs

• 数据采样 ：接收端在起始位下降沿触发，并在数据位中间点采样，抵消时钟偏移影响。

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3. 典型应用场景

• 微控制器与外围模块通信：如ESP8266（Wi-Fi）、GPS模块、传感器（温湿度）。
• 调试接口：通过UART输出调试信息（常见于嵌入式开发板）。
• 有线设备互联：旧式打印机、工业设备（如Modbus RTU协议）。
• 信号转换：结合电平转换芯片（如MAX232）实现RS232、RS485等长距离通信。

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4. 优缺点分析

优点	缺点
硬件简单（仅需两根数据线）	传输距离短（通常<1米）
成本低（无需复杂协议栈）	无硬件错误恢复机制（需软件纠错）
广泛兼容性（几乎所有MCU支持）	需严格匹配波特率（误差<3%）

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5. 硬件实现关键点

• 发送端（TX） ：
  • 将并行数据转为串行，按波特率逐位发送。
  • 使用分频器生成波特率时钟（如50MHz主频 → 115200波特率需分频系数：50e6 / 115200 ≈ 434）。
• 接收端（RX） ：
  • 检测起始位下降沿，启动同步采样。
  • 通过移位寄存器重组串行数据为并行数据。

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6. 常见问题与解决方案

• 波特率失配： 若收发波特率差超过3%，会导致采样偏移，需重新校准。
• 电磁干扰： 长距离使用需加屏蔽线或转换为差分信号（如RS485）。
• 数据冲突： 全双工通信需避免同时发送，可通过流控信号（RTS/CTS）解决。

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7. 主流扩展协议

• RS-232：电平标准（±3~15V），支持更长距离（<15米）。
• RS-485：差分信号，可多点通信（工业现场总线）。
• USB转UART：通过芯片（如CH340、CP2102）实现USB与串口无缝衔接。

2.verilog编写

这里需要讲解下，这里使用到50mhz的时钟， 波特率为115200，这里的50mhz的时钟是在1秒内有50_000_000个周期的数据，波特率115200是在1秒内有115200bit的传输。

50_000_000/115200 指的是传输1bit需要传输多少个时钟周期

在写测试代码的时候，#8680 是因为 在 50_000_000/115200= 434 个时钟周期传输1bit, 而434个时钟周期每个时钟周期为20ns 434*20= 8680.

1，波形图

接收和发送都根据这个图编写就行

2.1接收模块代码

module uart_rx (
input          clk,
input          rst,
input          rx_en,
input          data_in,
output reg [7:0]  data_out,
output         uart_rx_done
);

localparam   CLK   =  50_000_000,
             BOTE  = 115200,
             CNT   = CLK / BOTE ;

reg             rx_en_d1;
reg             rx_en_d2;
reg             rx_flag ;
reg             rx_valid;
reg   [3:0]     rx_cnt  ;
reg  [15:0]     clk_cnt ;
reg  [7:0]      data_out_r;
reg             uart_rx_done_r;

assign       uart_rx_done = uart_rx_done_r;

always @(posedge clk or negedge rst )begin
    if (rst == 1'b1)begin
        rx_en_d1 <= 1'b0;
        rx_en_d2 <= 1'b0;
    end
    else begin
        rx_en_d1 <= rx_en;
        rx_en_d2 <= rx_en_d1;
    end
end


always @ (posedge clk or negedge rst )begin
    if (rst == 1'b1)
        rx_flag <= 1'b0;
    else if (rx_en_d1 == 1'b1 && rx_en_d2 == 1'b0)
        rx_flag <= 1'b1;
    else 
        rx_flag <= 1'b0;
end

always @ (posedge clk or negedge rst )begin
    if (rst == 1'b1)
        rx_valid <= 1'b0;
    else if (rx_cnt == 4'd9 && clk_cnt == CNT /2 )
        rx_valid <= 1'b0;
    else if (rx_flag == 1'b1)
        rx_valid <= 1'b1;
    else;
end


always @ (posedge clk or negedge rst )begin
    if (rst == 1'b1)
        clk_cnt <= 16'd0;
    else if (clk_cnt == CNT )
        clk_cnt <= 16'd0;
    else if (rx_valid == 1'b1)
        clk_cnt <= clk_cnt +1'b1;
    else 
        clk_cnt <= 16'd0;
end

always @ (posedge clk or negedge rst )begin
    if (rst == 1'b1)
        rx_cnt <= 4'd0;
    else if (rx_en_d1 == 1'b1 && rx_en_d2 == 1'b0)
        rx_cnt <= 4'd0;
    else if (clk_cnt == CNT) 
        rx_cnt <= rx_cnt +1'b1;
    else;
end

always @ (posedge clk or negedge rst )begin
    if (rst == 1'b1)
        uart_rx_done_r <= 1'b0;
    else if (rx_valid == 1'b1) begin
            if (rx_cnt == 4'd9)
                uart_rx_done_r <= 1'b1;
            else 
                uart_rx_done_r <= 4'd0;
    end
    else
        uart_rx_done_r <= 1'b0;
end

always @ (posedge clk or negedge rst )begin
    if (rst == 1'b1)
        data_out_r <= 8'd0;
    else if (rx_valid == 1'b1   ) begin
            if (clk_cnt == CNT /4) 
                   case (rx_cnt )
                        4'd1  : data_out_r[0] = data_in ; 
                        4'd2  : data_out_r[1] = data_in ; 
                        4'd3  : data_out_r[2] = data_in ; 
                        4'd4  : data_out_r[3] = data_in ; 
                        4'd5  : data_out_r[4] = data_in ; 
                        4'd6  : data_out_r[5] = data_in ; 
                        4'd7  : data_out_r[6] = data_in ; 
                        4'd8  : data_out_r[7] = data_in ; 
                       default : ;
                   endcase
            else 
                data_out_r <= data_out_r;
    end
    else 
        data_out_r <= 8'd0;  
      
end

always @ (posedge clk or negedge rst )begin
    if (rst == 1'b1)
        data_out <= 8'd0;
    else if (rx_cnt == 4'd9)
        data_out <= data_out_r;
    else 
        data_out <= 8'd0;
end

endmodule 

2.2发送模块代码

module uart_tx(
input           clk,
input           rst,
    
input           tx_en,
input   [7:0]   data_din,
output          data_out,
output          uart_tx_done 

);
localparam  CLK  = 50_000_000, //时钟 50_000_000 一秒 50000000个时钟周期 数据 波特率 9600 一秒9600个数据bit  5000000/9600 一个bit需要多少时钟周期 
            BOTE =115200,  
            CNT  = CLK /BOTE ;

reg          tx_en_d1;
reg          tx_en_d2;
reg          start_flag;
reg          tx_valid;
reg [3:0]    tx_cnt;
reg [15:0]   clk_cnt;
reg          uart_done_r;
reg          uart_dout_r;
reg  [7:0]   data_din_r;

assign     data_out  = uart_dout_r;
assign     uart_tx_done = uart_done_r;

always @ (posedge clk or negedge rst) begin
   if (rst == 1'b1) begin
        tx_en_d1 <= 1'b0;
        tx_en_d2 <= 1'b0;
   end
   else begin
        tx_en_d1 <=tx_en;
        tx_en_d2 <= tx_en_d1;
   end
end

always @ (posedge clk or negedge rst) begin
    if (rst == 1'b1)
        data_din_r <= 8'd0;
    else if (tx_cnt ==4'd9 && clk_cnt == CNT /2)
        data_din_r <= 8'd0;
    else if ( tx_en_d1 == 1'b1 && tx_en_d2 == 1'b0 ) 
        data_din_r <= data_din;
    else;
end


always @ (posedge clk or negedge rst) begin
    if (rst == 1'b1)
        start_flag <= 1'b0;
    else if ( tx_en_d1 == 1'b1 && tx_en_d2 == 1'b0 ) 
        start_flag <= 1'b1;
    else 
        start_flag <= 1'b0;
end

always @ (posedge clk or negedge rst) begin
    if (rst == 1'b1)
        tx_valid <= 1'b0;
    else if (start_flag == 1'b1)
        tx_valid <= 1'b1;
    else if (tx_cnt ==4'd9 && clk_cnt == CNT /2 )
        tx_valid <= 1'b0;
    else;
end

always @ (posedge clk or negedge rst) begin
    if (rst == 1'b1)
        clk_cnt <= 16'd0;
    else if (clk_cnt == CNT )
        clk_cnt <= 16'd0;
    else if (tx_valid == 1'b1)
        clk_cnt <= clk_cnt +1'b1;
    else 
        clk_cnt <= 16'd0;
end

always @ (posedge clk or negedge rst) begin
    if (rst == 1'b1)
        tx_cnt <= 4'd0;
    else if (tx_en_d1 == 1'b1 && tx_en_d2 == 1'b0)
        tx_cnt <= 4'd0;
    else if (clk_cnt == CNT)
        tx_cnt <= tx_cnt +1'b1;
    else;
end

always @ (posedge clk or negedge rst) begin
    if (rst == 1'b1)
        uart_done_r <= 1'b0;
    else if (tx_valid == 1'b1) begin
         if (tx_cnt == 4'd9) 
            uart_done_r <= 1'b1;
         else
            uart_done_r <= 1'b0;  
    end
    else
        uart_done_r <= 1'b0;
end

always @ (posedge clk or negedge rst) begin
    if (rst == 1'b1)
        uart_dout_r <= 1'b0;  
    else if (tx_valid == 1'b1) begin
        case (tx_cnt)
            4'd0  : uart_dout_r <= 1'b0;
            4'd1  : uart_dout_r <=data_din_r[0];    
            4'd2  : uart_dout_r <=data_din_r[1];
            4'd3  : uart_dout_r <=data_din_r[2];
            4'd4  : uart_dout_r <=data_din_r[3];
            4'd5  : uart_dout_r <=data_din_r[4];
            4'd6  : uart_dout_r <=data_din_r[5];
            4'd7  : uart_dout_r <=data_din_r[6];
            4'd8  : uart_dout_r <=data_din_r[7];       
            4'd9  : uart_dout_r <=1'b1;
          default  : ;
        endcase
    end
    else
        uart_dout_r <= 1'b1;  
end

   



endmodule 

2.3顶层模块代码

module uart_top (
input          clk,
input          rst,
input          uart_data_rx,
input          rx_en,
output         uart_data_out
);

wire       uart_tx_done;
wire       uart_rx_done;
wire [7:0] data_out;


uart_rx uart_rx (
.clk          (clk           ),      //input                      
.rst          ( rst          ),      //input                      
.rx_en        ( rx_en ),      //input                        
.data_in      ( uart_data_rx      ),      //input                          
.data_out     ( data_out ),      //output reg [7:0]                
.uart_rx_done ( uart_rx_done )       //output                             
);


uart_tx uart_tx(
.clk          ( clk           ),  //input                      
.rst          ( rst           ),  //input                             
.tx_en        ( uart_rx_done  ),  //input                        
.data_din     ( data_out      ),  //input   [7:0]                    
.data_out     ( uart_data_out ),  //output                          
.uart_tx_done ( uart_tx_done  )  //output                              
                      
);



endmodule 

2.4仿真模块代码

module uart_tb(

    );


reg clk;
reg rst;
reg  rx_en;
reg uart_data_rx;
wire uart_data_out;


initial begin
    rst = 1'b1;
    clk = 1'b1;
    uart_data_rx = 1'b1;
    rx_en = 1'b0;
    #20
    rst = 1'b0;

    #4340
    uart_data_rx = 1'b0;
    rx_en = 1'b1;

    #20
    rx_en = 1'b0;

    #8680  uart_data_rx = 1'b1;
    #8680  uart_data_rx = 1'b0;
    #8680  uart_data_rx = 1'b1;
    #8680  uart_data_rx = 1'b0;
    #8680  uart_data_rx = 1'b1;
    #8680  uart_data_rx = 1'b0;
    #8680  uart_data_rx = 1'b1;
    #8680  uart_data_rx = 1'b0;

    #8680  uart_data_rx = 1'b1;

end

always #10 clk = !clk;



uart_top  uart_top_inst (
  .clk(clk),
  .rst(rst),
  .rx_en(rx_en),
  .uart_data_rx(uart_data_rx),
  .uart_data_out(uart_data_out)
);
  

endmodule

3.仿真波形

3.1 接收模块仿真波形

数据输入先放到低位依次传入

3.2 发送模块仿真波形

发送的时候，把需要发送的数据低位先发

3.3 顶层模块仿真波形