Verilog RS232串口模块实验报告

1 设计概述

实验功能：实现RS232的双工通信。

实验环境：1）硬件环境：PC机一台、ml507PFGA开发套件；2）软件环境：开发软件ISE14.5、代码编写软件Notepad++、仿真软件Modelsim、调试软件chipscope、串口调试工具。

2 设计原理

2.1 串行接口RS232工作原理

串口用来连接FPGA和PC机，RS-232允许全双工通信，即计算机在接收数据的同时可以发送数据。串口按位（bit）发送和接收字节。通常以8位数据为1组，先发送最低有效位，最后发送最高有效位。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。

通信使用3根线完成：（1）地线，（2）发送，（3）接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手，但不是必须的。数据的传输没有时钟信号，接收端必须采取某种方式，使之与接收数据同步。

1）串行线缆的两端先约定好串行传输的参数（传输速度、传输格式等）；

2）当没有数据传输的时候，发送端向数据线上发送"1"；

3）每传输一个字节之前，发送端先发送一个"0"来表示传输已经开始，这样接收端便可以知道有数据到来了；

图1 数据帧结构

4）开始传输后，数据以约定的速度和格式传输，所以接收端可以与之同步；

5）在串口总线上 高电平 是默认的状态，当一帧数据开始传输必须先拉低电平，这就是起始位，起始位之后是8位数据位，最后是校验位和停止位（可不加校验位）。传输完成一个字节之后，都在其后发送一个停止位("1")。(图1)

2.2 波特率发生器

波特率是串口传输的传输速度；在微观上就是一个位的周期。常用的波特率有9600bps和115200bps。“9600bps”表示每秒可以传输9600位。本次实验我所选用的传输速率为9600bps。由于我们的FPGA通常运行在远高于9600Hz的频率上（100MHz），因此需要分频产生接近9600Hz的时钟信号。若FPGA

时钟

为100MHz，则需要100M/9600=10416个时钟周期置位一次就可以得到9600Hz的时钟。

3 模块组成

3.1接收模块

接收模块示意图（图2）

图2 接收模块示意图

串口接收包括三个模块：电平检测模块，用来检测数据开始，当检测到输入信号RX_Pin_In有下降沿时，可以判断信号到来，H2L_Sig信号输出为高电平通知接收控制模块准备接收数据；波特率定时模块，用来产生波特率（9600bps）；接收控制模块，用来控制接收开始和结束。RX_En_Sig为高电平时，若电平检测模块检测到有数据输入，则发出H2L_Sig高电平信号，接收控制模块输出Count_Sig信号，波特率定时模块开始计数。

为了确保采集到的数据的准确性，数据采集都是在每位数据的中间进行着（图3）。为使采集信号出现在数据位中间，决定每次计数到5208产生一个采集信号BPS_CLK，持续一个时钟周期，计数到10416时计数器清零并重新计数，这样采集信号周期不变，准确度提高。

图3 数据定时采集示意图

接收控制模块将8位数据位并行输出，输出RX_Done_Sig信号表示一帧数据结束，发送模块可以接收来自RX_Data的数据。

3.1.1 detect_module.v

detect_module.v这个功能模块是为了检查电平由高变低。当检测到电平又高变低，在第40行就会输出高脉冲。

3.1.2 rx_bps_module.v

波特率定时模块，用来产生波特率，其原理同计数器。当rx_control_module.v拉高Count_Sig, bps_module.v经BPS_CLK对 rx_control_module.v 产生定时。

3.1.3 rx_control_module.v

rx_control_module.v是核心控制模块，用来控制接收开始和结束。对串口的配置主要是1帧11位的数据，重视八位数据位，无视起始位，校验位和结束位。当RX_En_Sig拉高，这个模块就开始工作，它将采集来自RX_Pin_In的数据，当完成一帧数据接收的时候，就会产生一个高脉冲给 RX_Done_Sig。

44~62行是rx_control_module.v的核心控制功能。当rx_control_module.v模块被使能，该模块就会处于就绪状态，一旦detect_module.v检查到又高变低的电平变化（47行），会使步骤i进入第0位采集，然而isCount 标志寄存器同时也会被设置为逻辑1，rx_bps_module.v 便会开始产生波特率的定时。

3.1.4 rx_module.v

rx_module.v是一个组合模块，主要是包含detect_module.v , bps_module.v和 rx_control_module.v，2个功能模块，和1个组合模块。完成对三个模块的例化及信号传递。

3.2 发送模块

发送模块示意图（图4）

图4 发送模块示意图

发送模块包括波特率定时模块，当TX_En_Sig低电平时不工作，高电平时开始计数，然后产生一个高脉冲经BPS_CLK输出给发送控制模块；发送控制模块在TX_En_Sig高电平时，每收到一个BPS_CLK，将TX_Data的数据，由TX_Pin_Out输出。当一帧数据发送完毕后，产生一个TX_Done_Sig的高脉冲（图

5）。

图5 数据定时发送示意图

3.2.1 tx_bps_module.v

tx_bps_module.v同样是作为“定时”的功能。当TX_En_Sig拉低电平的时候，它是处于随眠的状态。一旦TX_En_Sig拉高电平，那么tx_bps_module.v就开始计数。然后定时产生一个高脉冲经BPS_CLK给tx_control_module.v。程序与rx_bps_module.v基本相同。

3.2.2 tx_control_module.v

tx_control_module.v控制模块是最为中心的一部分，当TX_En_Sig拉高电平，同时间tx_bps_module.v也会开始计数。tx_control_module.v将TX_Data的值，按tx_bps_module.v产生的定时，有节奏的往TX_Pin_Out发送。当一帧数据发送完毕后，就产生一个TX_Done_Sig的高脉冲。

3.2.3 tx_module.v

4 功能仿真

4.1 接收模块仿真

4.1.1 接收模块验证程序

增加一个control_module.v模块，一开始control_module.v会拉高 RX_En_Sig使能rx_module.v。当有一阵数据经RX_Pin_In传入,rx_module.v就会接收然后将输出输出致RX_Data , 再产生一个高脉冲给RX_Done_Sig。当control_module.v 接收到RX_Done_Sig的高脉冲，就会将RX_Data的“前四位”输出致4位LED资源。rx_module_demo.v为一组合模块，完成对control_module.v和rx_module.v的例化。tb_RX_DATA.v为测试文件。

1）control_module.v

一开始的时候（36行）就将isEn设置为逻辑1, 这个标志寄存器在38行驱动着 RX_En_Sig,即此时的rx_module.v已经进入就绪状态，control_module.v等待着 RX_Done_Sig的通知（34行）。一旦一帧数据接收完毕，RX_Done_Sig就会产生高脉冲, 然后rData被赋予RX_Data的值，同时isEn被设置为逻辑0（35行）。在下一瞬间, control_module.v再一次设置isEn为逻辑1，做好接收下一组数据的准备。

2）rx_module_demo.v(略）

3）tb_RX_DATA.v

测试文件输出的数据为“1111_1111”。

4.1.2 Modelsim的仿真

仿真结果（图6）

图6 接收模块验证仿真结果

可以看出，该程序能够正确判断数据帧的起始位和终止位，正确接收了数据帧“1111_1111”，并将高四位赋给了Number_Data，来控制四个LED灯。

4.2 发送模块仿真

4.2.1 发送模块验证程序

增加一个control_module.v模块，主要是每秒往tx_module.v发送0x31的数据。一开始control_module.v往TX_Data输出数据，然后拉高TX_Done_Sig使 tx_module.v开始工作。当 tx_module.v 发往一帧数据以后，就会对 TX_Done_Sig 产生一个高脉冲，以示发送完毕。tx_module_demo.v为一组合模块，完成对control_module.v和tx_module.v的例化。tb_TX_DATA.v为测试文件。

1）

control_module.v

第28行是1秒的定义常量，在30~36行是1秒的定时器。control_module.v主要是每秒发送0x31的数据，也就是每秒设置一次 isEn标志寄存器。当isEn被设置后，tx_module.v就会开始工作，发完一帧数据位TX_Done_Sig会产生高脉冲。这使得control_module.v会重新赋值rData寄存器，然后复位isEn标志寄存器。直到下一秒的到来，isEn标志寄存器会再一次被设置。

2）tx_module.v（略）

3）

tb_TX_DATA.v

4.2.2实验仿真

为了便于仿真，将常量T1S=25 d19_999。仿真结果（图7）

图7 发送模块验证仿真结果

可以看出，TX_Pin_Out正确发送起始位“0”，数据位“1000_1100”，终止位“1”。

5 总结

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