5-基于C5G 开发板的FPGA 串口通信设计（FT232R， Altera UART IP和Nios II系统串口收发命令）

一、工程设计概述

许多应用都需要通过主机上的通用接口和主机进行通信，传统的 RS232 必须通过 RS232接口连接，但如今绝大多数的个人电脑都不再有 RS232 接口，这对于某些工程开发十分的不方便。因此，C5G、DE1-SOC H版本、DE23-Lite、C5P/OSK/TSP等板子设计有UART 转 USB 电路的接口，使得用户可以直接通过 USB 接口与主机进行串口通信。

本文将为用户展示如何使用主机上的 PUTTY terminal 通过 USB 接口向 FPGA 发送和接收指令，控制 FPGA 开发板上的 LED。

在 FPGA 端是通过UART（RS-232 Serial Port） IP来进行数据收发。案例功能框图如下：

UART 通信相关知识请参考 1-串行通信基础知识。

本案例要求串口通信的起始位1位，数据位为8位，停止位1位，无校验位，波特率115200bps。

接下来将在UART（RS-232 Serial Port） IP 中进行串口相关设置。

二、UART控制器：UART（RS-232 Serial Port）Intel FPGA IP简介

Quartus Prime软件中集成了UART控制器：UART（RS-232 Serial Port）Intel FPGA IP。

UART（RS-232 Serial Port）Intel FPGA IP用于在Intel FPGA上的嵌入式系统与外部设备之间进行串行字符流通信。该IP实现了RS-232协议，并提供可调节的波特率、校验位、停止位和数据位。该IP提供Avalon Memory-Mapped从设备接口，允许Avalon-MM主设备（如Nios II和Nios V处理器）通过读或写控制寄存器和数据寄存器来与UART IP核进行通信。

该IP设置界面：

更多Uart IP相关描述请参考：Chapter 9 UART Core from https://www.intel.com/content/www/us/en/docs/programmable/683130/25-3/uart-core.html

三、C5G 串口硬件

C5G开发板板载串口IC是 FT232R，该IC的PC端驱动：https://ftdichip.com/drivers/vcp-drivers/，关于驱动的安装步骤可以参考：3-基于FPGA开发板OSK/TSP/C5P的串口通信设计（CP2102N）

该IC与FPGA 之间硬件连接简化图如下：

四、硬件工程设计------Quartus 工程设计

Quartus 版本： Quartus Prime 17.1 Lite。

在Quartus中使用Platform Designer（以前称为QSYS）创建包含Nios II处理器和RS-232 Serial Port IP的系统，以下是Quartus工程中Qsys系统的框架（注意Nios II IP选择Nios II/e，如果选择Nios II/f会要求有Quartus license才行）：

Quartus工程的top文件如下：

复制代码

module UART_USB_LED(
      ///////// CLOCK /////////
      input              CLOCK_50_B3B,
      ///////// LED /////////
      output   [ 3: 0]   LED, //LED is High-Active
      ///////// Uart to USB /////////
      output             UART_TX,
      input              UART_RX
    );
//=======================================================
//  Structural coding
//=======================================================
uart_test u0 (
        .clk_clk                                (CLOCK_50_B3B),                                //                             clk.clk
        .reset_reset_n                          (1'b1),                          //                           reset.reset_n
        .led_external_connection_export         (LED),         //         led_external_connection.export
        .uart_rxd                               (UART_RX),                               //                            uart.rxd
        .uart_txd                               (UART_TX)                                //                                .txd
    );
endmodule

复制代码

FPGA引脚分配如下：

五、软件工程设计------Nios II 程序设计

在嵌入式系统开发中，硬件平台的多样性给软件开发带来了巨大挑战。Intel（Altera）的Nios II处理器通过其硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer, HAL）有效解决了这一问题，为开发者提供了统一的编程接口，极大地简化了嵌入式软件开发流程。关于HAL更多说明请参考：Nios II 处理器的硬件抽象层（HAL）

在Nios II IDE中创建software工程，编写代码使用fprintf和getc等标准C库函数来访问UART（这种访问方式依赖于HAL系统库，其底层由HAL设备驱动完成寄存器读写）。

这段代码是一个基于Nios II处理器的嵌入式程序，通过UART与计算机通信，控制LED灯。

cs 复制代码

#include ".\terasic_lib\terasic_includes.h"
#include ".\terasic_lib\LED.h"
#include ".\terasic_lib\debug.h"
int main(void)
{
    FILE* fp;
    char  promot;
    LED_AllOn();
    usleep(500*1000);
    LED_AllOff();
    printf("---------C5P UART TO  USB  demo --------\r\n");
    printf("before you send the command\r\n");
    printf("you must ensure uart to usb driver has been installed on you computer\r\n");
    printf("and ensure a usb cable is connected between c5p and your computer\r\n");
    printf("please execute putty and setup parameter correctly\r\n");
    printf("ensure that you open the correct common port\r\n");
    printf("the baud rate should be 115200\r\n");
    printf("the data bits should be 8\r\n");
    printf("no verify bit and 1 stop bit\r\n");
    printf("you can send character to control the led state\r\n");
    printf("send 0-3 to toggle the related led \r\n");
    printf("send a or A to turn on all leds and n or N to turn off all  \r\n");
    fp=fopen("/dev/uart","r++");
    if(fp == NULL)
    {
            // UART设备打开失败处理
            printf("ERROR: Cannot open UART device /dev/uart\r\n");
                            return -1;
    }
    else if(fp)
    {
        fprintf(fp,"you can send character to control the led state\r\n");
        fprintf(fp,"send 0-3 to toggle the related led\r\n");
        fprintf(fp,"send a or A to turn on all leds and n or N to turn off all\r\n");
    }
    while(1)
    {
        promot=getc(fp);
        if(promot>='0'&&promot<='3')
        {
            printf("%c sent\r\n",promot);
            LED_toggle_count((promot-'0'));
            fprintf(fp,"LED %c state toggle\r\n",promot);
        }
        else if(promot=='n'||promot=='N')
        {
            LED_AllOff( );
            fprintf(fp,"All LED off\r\n");
            printf("%c sent \r\n",promot);
        }
        else if(promot=='a'||promot=='A')
        {
            LED_AllOn( );
            fprintf(fp," All LED on\r\n");
            printf("%c sent \r\n",promot);
        }
        else
        {
            fprintf(fp,"you send wrong command\r\n");
            printf("you send wrong command\r\n");
        }
    }
    fclose(fp);
    return 0;
}

这段代码的流程图如下：

关于LED_AllOff、LED_AllOn和LED_toggle_count函数，则是通过调用HAL里面提供的PIO宏定义 IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA直接读写寄存器：

cs 复制代码

#include "terasic_includes.h"
#include "LED.h"
void LED_AllOff(void){
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LED_BASE, 0x0);  //0:unlight, 1:light
}
void LED_toggle_count(alt_u8 led_count)
{
    alt_32 bit_mask=0x01<<led_count; // check 0~3
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LED_BASE, bit_mask);// light the related led
}
void LED_AllOn(void)
{
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LED_BASE, 0xF);  //0:unlight, 1:light
}

六、测试步骤

**1.**连接串口J11 到PC；

用USB Blaster线缆连接开发板J10和PC；
连接12V电源到开发板，开启电源开关；

打开Quartus工程，点击Start Compilation生成sof文件，然后点击Programmer 将sof配置文件下载到开发板：

打开Nios II 工程，右击UART_USB_LED_bsp工程选择Nios II------generate BSP，然后右击UART_USB_LED工程选择Build Project 产生新的elf文件后，继续右击UART_USB_LED工程选择Run As------Nios II Hardware：