目录
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- 一、串口通信基础知识
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- 1、什么是串口？
- 2.同步通信和异步通信
- 3.串行通信的传输方向
- 4.常见的串口通信接口
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- 二、UART串口通信
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- UART基础知识
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- 1.协议层:通信协议(包括数据格式、传输速率等)
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- (1)数据格式
- （2）传输速率
- 2.物理层:接口类型、电平标准等。
- UART串口通信实验
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- 1、程序设计
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- (1)程序框图
- (2)时序框图
- (3)接收模块
- (4)发送模块
- (5)环回模块
- (6)顶层模块
- （7）TRL级原理图
- 三、RS485串口通信
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- RS485基础知识
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- 1.单端传输和差异传输
- RS485串口通信实验
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- 1、程序框图
- 2、程序设计
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- (1)按键消抖模块
- (2)LED 灯控制模块
- (3)接收模块
- (4)发送模块
- (5)顶层模块
- (6)RTL级原理图
一、串口通信基础知识
1.串口是什么？
串行接口也被称为串行通信接口或串行通信接口(通常指COM接口)是串行通信的扩展接口。串行接口 （Serial Interface）指数据一位一位地传输。其特点是通信线路简单，只要一对传输线路可以实现双向通信（电话线路可以直接作为传输线路），大大降低了成本，特别适合远程通信，但传输速度较慢。 
2.同步通信和异步通信
串行通信分为同步串行通信和异步串行通信两种方式。
通信双方需要在同一时钟的控制下同步传输数据，如：SPI，IIC通信接口。图1所示；
指通信双方使用各自的时钟控制数据的发送和接收过程，如：UART(通用异步收发器)，图2所示。 图1同步串行通信 图2异步串行通信
3.串行通信的传输方向
根据串行数据的传输方向，我们可以将通信分为单工、半双工和双工。
单工：指数据传输只能沿一个方向实现反向传输。
半双工：指数据传输可以沿两个方向传输，但需要分时传输。
全双工：指数据可同时双向传输。
下图是单工、半双工、全双工的示意图
4.常见的串口通信接口
二、UART串口通信
UART基础知识
是一种采用通用异步收发传输器（universal asynchronous receiver-transmitter），它将并行数据转换为串行数据传输，并将接收到的串行数据转换为并行数据。
1.协议层:通信协议(包括数据格式、传输速率等)
(1)数据格式
UART 串口通信需要两根信号线来实现，一根用于串口发送，另外一根负责串口接收。UART 一帧数据在发送或接收过程中由 4 部分组成，起始位、数据位、奇偶校准位和停止位，如图所示。起始位标志着一帧数据的开始，停止位标志着一帧数据的结束，数据位是一帧数据中的有效数据。校验位分为和，用于检查数据在传输过程中是否出错。在奇怪的校准过程中，发送方应使数据位置 1 在数量和验证位置中 1 数之和为奇数；当接收人接收数据时，对 1 检查数量。如果不是奇数，则表明数据在传输过程中出现错误。同样，偶尔检查 1 数是否为偶数。
(2)传输速率
波特率：串行通信数据按位传输。一般来说，机器每秒传输的二进制数字的位数称为波特率，单位为bps，即位/秒，如1秒传输1位，即1波特。解释数据传输的速度。UART 可以设置通信过程中的数据格式和传输速率。为了正确通信，双方应同意并遵循相同的设置。可选择数据位 5、6、7、8 位，其中 8 位数据位是最常用的，一般在实际应用中选择 8 位数据位；校验位可选择奇校验、偶校验或无校验位；可选择停止位； 1 位(默认)，1.5 或 2 位。串口通信的速率用波特率表示，它表示每秒传输二进制数据的位数，单位是 bps(位/秒)，常用的波特率有 9600、19200、38400、57600 以及 115200 等。
2.物理层:接口类型、电平标准等。
异步串行通信的接口标准有RS232、RS422、RS485等 设置数据格式和传输速率后，UART 负责数据串和转换，信号传输由外部驱动电路实现。电信号的传输过程有不同的电平标准和接口规范，异步串行通信的接口标准有 RS232、RS422、RS485 等等，它们定义了不同接口的电气特性，如 RS-232 是单端输入输出 RS-422/485 为等。
RS232 接口标准出现较早，可实现全双工作模式，即数据发送和接收可同时进行。传输距离短(不超过) 15m），RS232 串行通信是最常用的接口标准，RS-232 标准串口最常见的接口类型是 。
UART串口通信实验
1、程序设计
(1)程序框图
(2)时序框图
(3)接收模块
module uart_recv( input sys_clk, //系统时钟 input sys_rst_n, //系统复位，低电平有效 input uart_rxd, //UART接收端口 output reg uart_done, ///接收一帧数据完成标志 output reg rx_flag, /// output reg [3:0] rx_cnt, //接收数据计数器 output reg [7:0] rxdata, output reg [7:0] uart_data //接收数据 ); //parameter define parameter CLKFREQ = 50000000; //系统时钟频率
parameter UART_BPS = 115200; //串口波特率
localparam BPS_CNT = CLK_FREQ/UART_BPS; //为得到指定波特率，
//需要对系统时钟计数BPS_CNT次
//reg define
reg uart_rxd_d0;
reg uart_rxd_d1;
reg [15:0] clk_cnt; //系统时钟计数器
//wire define
wire start_flag;
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
//捕获接收端口下降沿(起始位)，得到一个时钟周期的脉冲信号
assign start_flag = uart_rxd_d1 & (~uart_rxd_d0);
//对UART接收端口的数据延迟两个时钟周期
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n) begin
uart_rxd_d0 <= 1'b0;
uart_rxd_d1 <= 1'b0;
end
else begin
uart_rxd_d0 <= uart_rxd;
uart_rxd_d1 <= uart_rxd_d0;
end
end
//当脉冲信号start_flag到达时，进入接收过程
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n)
rx_flag <= 1'b0;
else begin
if(start_flag) //检测到起始位
rx_flag <= 1'b1; //进入接收过程，标志位rx_flag拉高
//计数到停止位中间时，停止接收过程
else if((rx_cnt == 4'd9) && (clk_cnt == BPS_CNT/2))
rx_flag <= 1'b0; //接收过程结束，标志位rx_flag拉低
else
rx_flag <= rx_flag;
end
end
//进入接收过程后，启动系统时钟计数器
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n)
clk_cnt <= 16'd0;
else if ( rx_flag ) begin //处于接收过程
if (clk_cnt < BPS_CNT - 1)
clk_cnt <= clk_cnt + 1'b1;
else
clk_cnt <= 16'd0; //对系统时钟计数达一个波特率周期后清零
end
else
clk_cnt <= 16'd0; //接收过程结束，计数器清零
end
//进入接收过程后，启动接收数据计数器
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n)
rx_cnt <= 4'd0;
else if ( rx_flag ) begin //处于接收过程
if (clk_cnt == BPS_CNT - 1) //对系统时钟计数达一个波特率周期
rx_cnt <= rx_cnt + 1'b1; //此时接收数据计数器加1
else
rx_cnt <= rx_cnt;
end
else
rx_cnt <= 4'd0; //接收过程结束，计数器清零
end
//根据接收数据计数器来寄存uart接收端口数据
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if ( !sys_rst_n)
rxdata <= 8'd0;
else if(rx_flag) //系统处于接收过程
if (clk_cnt == BPS_CNT/2) begin //判断系统时钟计数器计数到数据位中间
case ( rx_cnt )
4'd1 : rxdata[0] <= uart_rxd_d1; //寄存数据位最低位
4'd2 : rxdata[1] <= uart_rxd_d1;
4'd3 : rxdata[2] <= uart_rxd_d1;
4'd4 : rxdata[3] <= uart_rxd_d1;
4'd5 : rxdata[4] <= uart_rxd_d1;
4'd6 : rxdata[5] <= uart_rxd_d1;
4'd7 : rxdata[6] <= uart_rxd_d1;
4'd8 : rxdata[7] <= uart_rxd_d1; //寄存数据位最高位
default:;
endcase
end
else
rxdata <= rxdata;
else
rxdata <= 8'd0;
end
//数据接收完毕后给出标志信号并寄存输出接收到的数据
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n) begin
uart_data <= 8'd0;
uart_done <= 1'b0;
end
else if(rx_cnt == 4'd9) begin //接收数据计数器计数到停止位时
uart_data <= rxdata; //寄存输出接收到的数据
uart_done <= 1'b1; //并将接收完成标志位拉高
end
else begin
uart_data <= 8'd0;
uart_done <= 1'b0;
end
end
endmodule
（4）发送模块
module uart_send(
input sys_clk, //系统时钟
input sys_rst_n, //系统复位，低电平有效
input uart_en, //发送使能信号
input [ 7:0] uart_din, //待发送数据
output reg uart_txd //UART发送端口 并行数据uart_din转为串行数据uart_txd传输
output uart_tx_busy, //发送忙状态标志
output en_flag ,
output reg tx_flag, //发送过程标志信号
output reg [ 7:0] tx_data, //寄存发送数据
output reg [ 3:0] tx_cnt, //发送数据计数器
);
//parameter define
parameter CLK_FREQ = 50000000; //系统时钟频率
parameter UART_BPS = 115200; //串口波特率
localparam BPS_CNT = CLK_FREQ/UART_BPS; //为得到指定波特率，对系统时钟计数BPS_CNT次
//reg define
reg uart_en_d0;
reg uart_en_d1;
reg [15:0] clk_cnt; //系统时钟计数器
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
//在串口发送过程中给出忙状态标志
assign uart_tx_busy = tx_flag;
//捕获uart_en上升沿，得到一个时钟周期的脉冲信号
assign en_flag = (~uart_en_d1) & uart_en_d0;
//对发送使能信号uart_en延迟两个时钟周期
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n) begin
uart_en_d0 <= 1'b0;
uart_en_d1 <= 1'b0;
end
else begin
uart_en_d0 <= uart_en;
uart_en_d1 <= uart_en_d0;
end
end
//当脉冲信号en_flag到达时,寄存待发送的数据，并进入发送过程
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n) begin
tx_flag <= 1'b0;
tx_data <= 8'd0;
end
else if (en_flag) begin //检测到发送使能上升沿
tx_flag <= 1'b1; //进入发送过程，标志位tx_flag拉高
tx_data <= uart_din; //寄存待发送的数据
end
//计数到停止位结束时，停止发送过程
else if ((tx_cnt == 4'd9) && (clk_cnt == BPS_CNT - (BPS_CNT/16))) begin //15/16的 BPS_CNT大于1/2的BPS_CNT，也可以用一个波特率周期
tx_flag <= 1'b0; //发送过程结束，标志位tx_flag拉低
tx_data <= 8'd0;
end
else begin
tx_flag <= tx_flag;
tx_data <= tx_data;
end
end
//进入发送过程后，启动系统时钟计数器
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n)
clk_cnt <= 16'd0;
else if (tx_flag) begin //处于发送过程
if (clk_cnt < BPS_CNT - 1)
clk_cnt <= clk_cnt + 1'b1;
else
clk_cnt <= 16'd0; //对系统时钟计数达一个波特率周期后清零
end
else
clk_cnt <= 16'd0; //发送过程结束
end
//进入发送过程后，启动发送数据计数器
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n)
tx_cnt <= 4'd0;
else if (tx_flag) begin //处于发送过程
if (clk_cnt == BPS_CNT - 1) //对系统时钟计数达一个波特率周期
tx_cnt <= tx_cnt + 1'b1; //此时发送数据计数器加1
else
tx_cnt <= tx_cnt;
end
else
tx_cnt <= 4'd0; //发送过程结束
end
//根据发送数据计数器来给uart发送端口赋值
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n)
uart_txd <= 1'b1;
else if (tx_flag)
case(tx_cnt)
4'd0: uart_txd <= 1'b0; //起始位
4'd1: uart_txd <= tx_data[0]; //数据位最低位
4'd2: uart_txd <= tx_data[1];
4'd3: uart_txd <= tx_data[2];
4'd4: uart_txd <= tx_data[3];
4'd5: uart_txd <= tx_data[4];
4'd6: uart_txd <= tx_data[5];
4'd7: uart_txd <= tx_data[6];
4'd8: uart_txd <= tx_data[7]; //数据位最高位
4'd9: uart_txd <= 1'b1; //停止位
default: ;
endcase
else
uart_txd <= 1'b1; //空闲时发送端口为高电平
end
endmodule
(5)环回模块
module uart_loop(
input sys_clk, //系统时钟
input sys_rst_n, //系统复位，低电平有效
input recv_done, //接收一帧数据完成标志
input [7:0] recv_data, //接收的数据
input tx_busy, //发送忙状态标志
output reg send_en, //发送使能信号
output reg [7:0] send_data //待发送数据
);
//reg define
reg recv_done_d0;
reg recv_done_d1;
reg tx_ready;
//wire define
wire recv_done_flag;
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
//捕获recv_done上升沿，得到一个时钟周期的脉冲信号
assign recv_done_flag = (~recv_done_d1) & recv_done_d0;
//对发送使能信号recv_done延迟两个时钟周期
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n) begin
recv_done_d0 <= 1'b0;
recv_done_d1 <= 1'b0;
end
else begin
recv_done_d0 <= recv_done;
recv_done_d1 <= recv_done_d0;
end
end
//判断接收完成信号，并在串口发送模块空闲时给出发送使能信号
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n) begin
tx_ready <= 1'b0;
send_en <= 1'b0;
send_data <= 8'd0;
end
else begin
if(recv_done_flag)begin //检测串口接收到数据
tx_ready <= 1'b1; //准备启动发送过程
send_en <= 1'b0;
send_data <= recv_data; //寄存串口接收的数据
end
else if(tx_ready && (~tx_busy)) begin //检测串口发送模块空闲
tx_ready <= 1'b0; //准备过程结束
send_en <= 1'b1; //拉高发送使能信号
end
end
end
endmodule
（6）顶层模块
module uart_loopback_top(
input sys_clk, //外部50M时钟
input sys_rst_n, //外部复位信号，低有效
input uart_rxd, //UART接收端口
output uart_txd //UART发送端口
);
//parameter define
parameter CLK_FREQ = 50000000; //定义系统时钟频率
parameter UART_BPS = 115200; //定义串口波特率
//wire define
wire uart_recv_done; //UART接收完成
wire [7:0] uart_recv_data; //UART接收数据
wire uart_send_en; //UART发送使能
wire [7:0] uart_send_data; //UART发送数据
wire uart_tx_busy; //UART发送忙状态标志
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
//串口接收模块
uart_recv #(
.CLK_FREQ (CLK_FREQ), //设置系统时钟频率
.UART_BPS (UART_BPS)) //设置串口接收波特率
u_uart_recv(
.sys_clk (sys_clk),
.sys_rst_n (sys_rst_n),
.uart_rxd (uart_rxd),
.uart_done (uart_recv_done),
.uart_data (uart_recv_data)
);
//串口发送模块
uart_send #(
.CLK_FREQ (CLK_FREQ), //设置系统时钟频率
.UART_BPS (UART_BPS)) //设置串口发送波特率
u_uart_send(
.sys_clk (sys_clk),
.sys_rst_n (sys_rst_n),
.uart_en (uart_send_en),
.uart_din (uart_send_data),
.uart_tx_busy (uart_tx_busy),
.uart_txd (uart_txd)
);
//串口环回模块
uart_loop u_uart_loop(
.sys_clk (sys_clk),
.sys_rst_n (sys_rst_n),
.recv_done (uart_recv_done), //接收一帧数据完成标志信号
.recv_data (uart_recv_data), //接收的数据
.tx_busy (uart_tx_busy), //发送忙状态标志
.send_en (uart_send_en), //发送使能信号
.send_data (uart_send_data) //待发送数据
);
endmodule
（7）TRL级原理图
三、RS485串口通信
RS485基础知识
RS-485 是针对 UART 串口的一种接口标准，它定义了串行通信系统中发送器和接收器的一系列电气特性。相比于 RS-232，RS-485 标准的通信系统抗干扰能力较强，可实现长距离数据传输，同时支持多个收发器连接到同一个通信网络中。因此，RS-485 在工业控制领域以及有类似需求的系统中得到了广泛的应用。
1、单端传输与差分传输
单端传输是指在发送或接收过程中，用信号线对地线的电压值来表示逻辑“0”和“1”。而差分传输使用两根信号线来传输一路信号，这两根信号线上传输的信号幅值相等，相位相差 180 度（极性相反），用它们的差值来表示逻辑“0”和“1”，如图 所示。 在传输过程中，当信号线上叠加了频率、幅值和相位都相同的干扰信号时（共模干扰），对于单端传输而言，由于地线电位为 0，则传输的信号就包含了干扰信号；而在差分传输方式下，干扰可以通过两个信号线上电压的差值抵消，相当于抑制了共模干扰，如图 所示。因此相对于单端传输方式，差分传输大大提高了信号在传输过程中的抗干扰能力，但是需要多余的信号线来实现信号传输。 RS-232 接口标准出现较早，信号采用负逻辑电平、单端传输方式工作。通过一根信号线发送，一根信 号线接收，加上一根地线，RS-232 可实现全双工通信。由于单端传输方式抗干扰能力差，导致 RS-232 标准通信距离短（小于 15 米），数据传输速率低等问题。另外 RS-232 仅支持一对一通信，存在无法实现多个设备互联的缺点。RS-422 由 RS-232 发展而来，它是为弥补 RS-232 之不足而提出的。RS-422 采用差分传输（又称平衡传输）方式，将最大传输速率提高到 10Mbps；当传输速率在 100kbps 以下时，传输距离可达 1200 米。由于采用差分传输方式，RS-422 需要 4 根信号线来实现全双工通信，两根用于发送、两根用于接收，一般会再加上一根地线。RS-422 允许在一条传输总线上连接最多 10 个接收器，从而实现单个设备发送，多个设备接收的功能。
为扩展应用范围，在 RS-422 基础上又制定了 RS-485 标准。RS-485 同样采用差分传输方式，但是 RS-485只有 2 根信号线，由发送和接收共用，因此发送和接收不能同时进行，只能实现半双工通信。RS-485 增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，各设备通过使能信号控制发送和接收过程。
RS485串口通信实验
1、程序框图
当检测到有按键按下或释放时，将按键数据通 过 RS485 串口发送出去；而当 RS485 串口接收到对方发送的按键数据时，根据接收到的数据改变 LED 灯的显示状态。由此画出系统的功能框图如下所示：
2、程序设计
由系统总体框图可知，FPGA 部分包括五个模块，顶层模块（rs485_uart_top）、接收模块（uart_recv）、发送模块（uart_send）、按键消抖模块（key_debounce）和 LED 灯控制模块（led_ctrl）。其中在顶层模块中完成对另外四个模块的例化。
（1）按键消抖模块
module key_debounce(
input sys_clk, //外部50M时钟
input sys_rst_n, //外部复位信号，低有效
input [3:0] key, //外部按键输入
output reg key_flag, //按键数据有效信号
output reg [3:0] key_value //按键消抖后的数据
);
//reg define
reg [31:0] delay_cnt;
reg [ 3:0] key_reg;
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n) begin
key_reg <= 4'b1111;
delay_cnt <= 32'd0;
end
else begin
key_reg <= key;
if(key_reg != key) //一旦检测到按键状态发生变化(有按键被按下或释放)
delay_cnt <= 32'd1000000; //给延时计数器重新装载初始值（计数时间为20ms）
else if(key_reg == key) begin //在按键状态稳定时，计数器递减，开始20ms倒计时
if(delay_cnt > 32'd0)
delay_cnt <= delay_cnt - 1'b1;
else
delay_cnt <= delay_cnt;
end
end
end
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n) begin
key_flag <= 1'b0;
key_value <= 4'b1111;
end
else begin
if(delay_cnt == 32'd1) begin //当计数器递减到1时，说明按键稳定状态维持了20ms
key_flag <= 1'b1; //此时消抖过程结束，给出一个时钟周期的标志信号
key_value <= key; //并寄存此时按键的值
end
else begin
key_flag <= 1'b0;
key_value <= key_value;
end
end
end
endmodule
(2)LED 灯控制模块
module led_ctrl(
input sys_clk, //外部50M时钟
input sys_rst_n, //外部复位信号，低有效
input led_en, //led控制使能
input [3:0] led_data, //led控制数据
output reg [3:0] led //led灯
);
//reg define
reg led_en_d0;
reg led_en_d1;
//wire define
wire led_en_flag;
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
//捕获led_en上升沿，得到一个时钟周期的脉冲信号
assign led_en_flag = (~led_en_d1) & led_en_d0;
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n) begin
led_en_d0 <= 1'b0;
led_en_d1 <= 1'b0;
end
else begin
led_en_d0 <= led_en;
led_en_d1 <= led_en_d0;
end
end
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n)
led <= 4'b0000;
else if(led_en_flag) //在led_en上升沿到来时，改变led灯的状态
led <= ~led_data; //按键按下时为低电平，而led高电平时点亮
else
led <= led;
end
endmodule
(3)接收模块
module uart_recv(
input sys_clk, //系统时钟
input sys_rst_n, //系统复位，低电平有效
input uart_rxd, //UART接收端口
output reg uart_done, //接收一帧数据完成标志信号
output reg [7:0] uart_data //接收的数据
);
//parameter define
parameter CLK_FREQ = 50000000; //系统时钟频率
parameter UART_BPS = 9600; //串口波特率
localparam BPS_CNT = CLK_FREQ/UART_BPS; //为得到指定波特率，
//需要对系统时钟计数BPS_CNT次
//reg define
reg uart_rxd_d0;
reg uart_rxd_d1;
reg [15:0] clk_cnt; //系统时钟计数器
reg [ 3:0] rx_cnt; //接收数据计数器
reg rx_flag; //接收过程标志信号
reg [ 7:0] rxdata; //接收数据寄存器
//wire define
wire start_flag;
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
//捕获接收端口下降沿(起始位)，得到一个时钟周期的脉冲信号
assign start_flag = uart_rxd_d1 & (~uart_rxd_d0);
//对UART接收端口的数据延迟两个时钟周期
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n) begin
uart_rxd_d0 <= 1'b0;
uart_rxd_d1 <= 1'b0;
end
else begin
uart_rxd_d0 <= uart_rxd;
uart_rxd_d1 <= uart_rxd_d0;
end
end
//当脉冲信号start_flag到达时，进入接收过程
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n)
rx_flag <= 1'b0;
else begin
if(start_flag) //检测到起始位
rx_flag <= 1'b1; //进入接收过程，标志位rx_flag拉高
else if((rx_cnt == 4'd9)&&(clk_cnt == BPS_CNT/2))
rx_flag <= 1'b0; //计数到停止位中间时，停止接收过程
else
rx_flag <= rx_flag;
end
end
//进入接收过程后，启动系统时钟计数器与接收数据计数器
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n) begin
clk_cnt <= 16'd0;
rx_cnt <= 4'd0;
end
else if ( rx_flag ) begin //处于接收过程
if (clk_cnt < BPS_CNT - 1) begin
clk_cnt <= clk_cnt + 1'b1;
rx_cnt <= rx_cnt;
end
else begin
clk_cnt <= 16'd0; //对系统时钟计数达一个波特率周期后清零
rx_cnt <= rx_cnt + 1'b1; //此时接收数据计数器加1
end
end
else begin //接收过程结束，计数器清零
clk_cnt <= 16'd0;
rx_cnt <= 4'd0;
end
end
//根据接收数据计数器来寄存uart接收端口数据
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if ( !sys_rst_n)
rxdata <= 8'd0;
else if(rx_flag) //系统处于接收过程
if (clk_cnt == BPS_CNT/2) begin //判断系统时钟计数器计数到数据位中间
case ( rx_cnt )
4'd1 : rxdata[0] <= uart_rxd_d1; //寄存数据位最低位
4'd2 : rxdata[1] <= uart_rxd_d1;
4'd3 : rxdata[2] <= uart_rxd_d1;
4'd4 : rxdata[3] <= uart_rxd_d1;
4'd5 : rxdata[4] <= uart_rxd_d1;
4'd6 : rxdata[5] <= uart_rxd_d1;
4'd7 : rxdata[6] <= uart_rxd_d1;
4'd8 : rxdata[7] <= uart_rxd_d1; //寄存数据位最高位
default:;
endcase
end
else
rxdata <= rxdata;
else
rxdata <= 8'd0;
end
//数据接收完毕后给出标志信号并寄存输出接收到的数据
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n) begin
uart_data <= 8'd0;
uart_done <= 1'b0;
end
else if(rx_cnt == 4'd9) begin //接收数据计数器计数到停止位时
uart_data <= rxdata; //寄存输出接收到的数据
uart_done <= 1'b1; //并将接收完成标志位拉高
end
else begin
uart_data <= 8'd0;
uart_done <= 1'b0;
end
end
endmodule
(4)发送模块
module uart_send(
input sys_clk, //系统时钟
input sys_rst_n, //系统复位，低电平有效
output uart_tx_busy, //发送忙状态标志
input uart_en, //发送使能信号
input [7:0] uart_din, //待发送数据
output reg uart_txd //UART发送端口
);
//parameter define
parameter CLK_FREQ = 50000000; //系统时钟频率
parameter UART_BPS = 9600; //串口波特率
localparam BPS_CNT = CLK_FREQ/UART_BPS; //为得到指定波特率，对系统时钟计数BPS_CNT次
//reg define
reg uart_en_d0;
reg uart_en_d1;
reg [15:0] clk_cnt; //系统时钟计数器
reg [ 3:0] tx_cnt; //发送数据计数器
reg [ 7:0] tx_data; //寄存发送数据
reg tx_flag; //发送标志，高有效
//wire define
wire en_flag;
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
//在串口发送过程中给出忙状态标志
assign uart_tx_busy = tx_flag;
//捕获uart_en上升沿，得到一个时钟周期的脉冲信号
assign en_flag = (~uart_en_d1) & uart_en_d0;
//对发送使能信号uart_en延迟两个时钟周期
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n) begin
uart_en_d0 <= 1'b0;
uart_en_d1 <= 1'b0;
end
else begin
uart_en_d0 <= uart_en;
uart_en_d1 <= uart_en_d0;
end
end
//当脉冲信号en_flag到达时,寄存待发送的数据，并进入发送过程
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n) begin
tx_flag <= 1'b0;
tx_data <= 8'd0;
end
else if (en_flag) begin //检测到发送使能上升沿
tx_flag <= 1'b1; //进入发送过程，标志位tx_flag拉高
tx_data <= uart_din; //寄存待发送的数据
end
else
if ((tx_cnt == 4'd9)&&(clk_cnt == BPS_CNT - (BPS_CNT/16)))
begin //计数到停止位中间时，停止发送过程
tx_flag <= 1'b0; //发送过程结束，标志位tx_flag拉低
tx_data <= 8'd0;
end
else begin
tx_flag <= tx_flag;
tx_data <= tx_data;
end
end
//进入发送过程后，启动系统时钟计数器与发送数据计数器
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n) begin
clk_cnt <= 16'd0;
tx_cnt <= 4'd0;
end
else if (tx_flag) begin //处于发送过程
if (clk_cnt < BPS_CNT - 1) begin
clk_cnt <= clk_cnt + 1'b1;
tx_cnt <= tx_cnt;
end
else begin
clk_cnt <= 16'd0; //对系统时钟计数达一个波特率周期后清零
tx_cnt <= tx_cnt + 1'b1; //此时发送数据计数器加1
end
end
else begin //发送过程结束
clk_cnt <= 16'd0;
tx_cnt <= 4'd0;
end
end
//根据发送数据计数器来给uart发送端口赋值
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n)
uart_txd <= 1'b1;
else if (tx_flag)
case(tx_cnt)
4'd0: uart_txd <= 1'b0; //起始位
4'd1: uart_txd <= tx_data[0]; //数据位最低位
4'd2: uart_txd <= tx_data[1];
4'd3: uart_txd <= tx_data[2];
4'd4: uart_txd <= tx_data[3];
4'd5: uart_txd <= tx_data[4];
4'd6: uart_txd <= tx_data[5];
4'd7: uart_txd <= tx_data[6];
4'd8: uart_txd <= tx_data[7]; //数据位最高位
4'd9: uart_txd <= 1'b1; //停止位
default: ;
endcase
else
uart_txd <= 1'b1; //空闲时发送端口为高电平
end
endmodule
(5)顶层模块
module rs485_uart_top(
input sys_clk, //外部50M时钟
input sys_rst_n, //外部复位信号，低有效
input [3:0] key, //按键
output [3:0] led, //led灯
//uart接口
input rs485_uart_rxd, //rs485串口接收端口
output rs485_uart_txd //rs485串口发送端口
);
//parameter define
parameter CLK_FREQ = 50000000; //定义系统时钟频率
parameter UART_BPS = 115200; //定义串口波特率
//wire define
wire tx_en_w; //UART发送使能
wire rx_done_w; //UART接收完毕信号
wire [7:0] tx_data_w; //UART发送数据
wire [7:0] rx_data_w; //UART接收数据
wire [3:0] key_value_w; //消抖后的按键数据
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
assign tx_data_w = {4'd0,key_value_w}; //将按键消抖后的值送到发送模块
uart_recv #( //串口接收模块
.CLK_FREQ (CLK_FREQ), //设置系统时钟频率
.UART_BPS (UART_BPS)) //设置串口接收波特率
u_uart_recv(
.sys_clk (sys_clk),
.sys_rst_n (sys_rst_n),
.uart_rxd (rs485_uart_rxd),
.uart_done (rx_done_w),
.uart_data (rx_data_w)
);
uart_send #( //串口发送模块
.CLK_FREQ (CLK_FREQ), //设置系统时钟频率
.UART_BPS (UART_BPS)) //设置串口发送波特率
u_uart_send(
.sys_clk (sys_clk),
.sys_rst_n (sys_rst_n),
.uart_en (tx_en_w),
.uart_din (tx_data_w),
.uart_txd (rs485_uart_txd)
);
key_debounce u_key_debounce(
.sys_clk (sys_clk),
.sys_rst_n (sys_rst_n),
.key (key),
.key_flag (tx_en_w), //按键有效通知信号
.key_value (key_value_w) //按键消抖后的数据
);
led_ctrl u_led_ctrl(
.sys_clk (sys_clk),
.sys_rst_n (sys_rst_n),
.led_en (rx_done_w), //led控制使能
.led_data (rx_data_w[3:0]), //led控制数据
.led (led)
);
endmodule
(6)RTL级原理图
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