UART串口通信实验报告

实验四UART串口通信学院：研究生院学号：1400030034姓名：张秋明一、实验目的及要求设计一个UART串口通信协议，实现“串<-->并”转换功能的电路，也就是“通用异步收发器”。

二、实验原理UART是一种通用串行数据总线，用于异步通信。

该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收。

在嵌入式设计中，UART用来主机与辅助设备通信，如汽车音响与外接AP之间的通信，与PC机通信包括与监控调试器和其它器件，如EEPROM通信。

UART作为异步串口通信协议的一种，工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输。

其中各位的意义如下：起始位：先发出一个逻辑”0”的信号，表示传输字符的开始。

资料位：紧接着起始位之后。

资料位的个数可以是4、5、6、7、8等，构成一个字符。

通常采用ASCII码。

从最低位开始传送，靠时钟定位。

奇偶校验位：资料位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)，以此来校验资料传送的正确性。

停止位：它是一个字符数据的结束标志。

可以是1位、1.5位、2位的高电平。

由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。

因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。

适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。

空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有资料传送。

波特率：是衡量资料传送速率的指标。

表示每秒钟传送的符号数（symbol）。

一个符号代表的信息量（比特数）与符号的阶数有关。

例如资料传送速率为120字符/秒，传输使用256阶符号，每个符号代表8bit，则波特率就是120baud，比特率是120*8=960bit/s。

这两者的概念很容易搞错。

三、实现程序library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity uart isport(clk : in std_logic; --系统时钟rst_n: in std_logic; --复位信号rs232_rx: in std_logic; --RS232接收数据信号;rs232_tx: out std_logic --RS232发送数据信号;); end uart;architecture behav of uart iscomponent uart_rx port(clk : in std_logic; --系统时钟rst_n: in std_logic; --复位信号rs232_rx: in std_logic; --RS232接收数据信号clk_bps: in std_logic; --此时clk_bps的高电平为接收数据的采样点bps_start:out std_logic;--接收到数据后，波特率时钟启动置位rx_data: out std_logic_vector(7 downto 0); --接收数据寄存器，保存直至下一个数据来到rx_int: out std_logic --接收数据中断信号，接收数据期间时钟为高电平，传送给串口发送);end component;component speed_select port(clk : in std_logic; --系统时钟rst_n: in std_logic; --复位信号clk_bps: out std_logic; --此时clk_bps 的高电平为接收或者发送数据位的中间采样点bps_start:in std_logic --接收数据后，波特率时钟启动信号置位);end component;component uart_tx port(clk : in std_logic; --系统时钟rst_n: in std_logic; --复位信号rs232_tx: out std_logic; --RS232接收数据信号clk_bps: in std_logic; --此时clk_bps 的高电平为接收数据的采样点bps_start:out std_logic;--接收到数据后，波特率时钟启动置位rx_data: in std_logic_vector(7 downto 0); --接收数据寄存器，保存直至下一个数据来到rx_int: in std_logic --接收数据中断信号，接收数据期间时钟为高电平，传送给串口发送模块，使得串口正在进行接收数据的时候，发送模块不工作，避免了一个完整的数据（1位起始位、8位数据位、1位停止位）还没有接收完全时，发送模块就已经将不正确的数据传输出去);end component;signal bps_start_1:std_logic;signal bps_start_2:std_logic;signal clk_bps_1:std_logic;signal clk_bps_2:std_logic;signal rx_data:std_logic_vector(7 downto 0);signal rx_int:std_logic;beginRX_TOP: uart_rx port map(clk=>clk,rst_n=>rst_n,rs232_rx=>rs232_rx,clk_bps=>clk_bps_1,bps_start=>bps_start_1,rx_data=>rx_data,rx_int=>rx_int);SPEED_TOP_RX: speed_select port map(clk=>clk,rst_n=>rst_n,clk_bps=>clk_bps_1,bps_start=>bps_start_1);TX_TOP:uart_tx port map(clk=>clk, --系统时钟rst_n=>rst_n, --复位信号rs232_tx=>rs232_tx, --RS232发送数据信号clk_bps=>clk_bps_2, --此时clk_bps 的高电平为发送数据的采样点bps_start=>bps_start_2,--接收到数据后，波特率时钟启动置位rx_data=>rx_data, --接收数据寄存器，保存直至下一个数据来到rx_int=>rx_int --接收数据中断信号，接收数据期间时钟为高电平，传送给串口发送模块，使得串口正在进行接收数据的时候，发送模块不工作，避免了一个完整的数据（1位起始位、8位数据位、1位停止位）还没有接收完全时，发送模块就已经将不正确的数据传输出去);SPEED_TOP_TX: speed_select port map(clk=>clk,rst_n=>rst_n,clk_bps=>clk_bps_2,bps_start=>bps_start_2);end behav;-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------3个子模块------------------------------------------------------------------------------异步接收模块-------------------------------------------library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity uart_rx isport(clk : in std_logic; --系统时钟rst_n: in std_logic; --复位信号rs232_rx: in std_logic; --RS232接收数据信号clk_bps: in std_logic; --此时clk_bps的高电平为接收数据的采样点bps_start:out std_logic;--接收到数据后，波特率时钟启动置位rx_data: out std_logic_vector(7 downto 0); --接收数据寄存器，保存直至下一个数据来到rx_int: out std_logic --接收数据中断信号，接收数据期间时钟为高电平，传送给串口发送模块，使得串口正在进行接收数据的时候，发送模块不工作，避免了一个完整的数据（1位起始位、8位数据位、1位停止位）还没有接收完全时，发送模块就已经将不正确的数据传输出去); end uart_rx;architecture behav of uart_rx issignal rs232_rx0: std_logic;signal rs232_rx1: std_logic;signal rs232_rx2: std_logic;signal rs232_rx3: std_logic;signal neg_rs232_rx:std_logic;signal bps_start_r:std_logic;signal num:integer;signal rx_data_r:std_logic_vector(7 downto 0); --串口接收数据寄存器，保存直至下一个数据到来beginprocess(clk,rst_n)beginif (rst_n='0')thenrs232_rx0<='0';rs232_rx1<='0';rs232_rx2<='0';rs232_rx3<='0';elseif (rising_edge(clk)) thenrs232_rx0<=rs232_rx;rs232_rx1<=rs232_rx0;rs232_rx2<=rs232_rx1;rs232_rx3<=rs232_rx2;end if;end if;neg_rs232_rx <=rs232_rx3 and rs232_rx2 and not(rs232_rx1)and not(rs232_rx0);end process;process(clk,rst_n)beginif (rst_n='0')thenbps_start_r<='0';rx_int<='0';elseif (rising_edge(clk)) thenif(neg_rs232_rx='1') then--接收到串口数据线rs232_rx 的下降沿标志信号bps_start_r<='1'; --启动串口准备数据接收rx_int<='1';--接收数据中断信号使能else if((num= 15) and (clk_bps='1')) then --接收完有用数据信息bps_start_r<='0'; --数据接收完毕，释放波特率启动信号rx_int<='0';--接收数据中断信号关闭end if;end if;end if;end if;bps_start<=bps_start_r;end process;process(clk,rst_n)beginif (rst_n='0')thenrx_data_r<="00000000";rx_data<="00000000";num<=0;elseif (rising_edge(clk)) thenif(clk_bps='1')thennum<=num+1;case num iswhen 1=>rx_data_r(0)<=rs232_rx;--锁存第0bitwhen 2=>rx_data_r(1)<=rs232_rx;--锁存第0bitwhen 3=>rx_data_r(2)<=rs232_rx;--锁存第0bitwhen 4=>rx_data_r(3)<=rs232_rx;--锁存第0bitwhen 5=>rx_data_r(4)<=rs232_rx;--锁存第0bitwhen 6=>rx_data_r(5)<=rs232_rx;--锁存第0bitwhen 7=>rx_data_r(6)<=rs232_rx;--锁存第0bitwhen 8=>rx_data_r(7)<=rs232_rx;--锁存第0bitwhen 10=>rx_data<=rx_data_r;when 11=>num<=15;when others=>null;end case;if(num=15) thennum<=0;end if;end if;end if;end if;end process;end behav;---------------------------------波特率控制模块-----------------------------------------library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity speed_select isport(clk : in std_logic; --系统时钟rst_n: in std_logic; --复位信号clk_bps: out std_logic; --此时clk_bps的高电平为接收或者发送数据位的中间采样点bps_start:in std_logic--接收数据后，波特率时钟启动信号置位或者开始发送数据时，波特率时钟启动信号置位);end speed_select;architecture behav of speed_select issignal cnt:std_logic_vector(12 downto 0);signal clk_bps_r:std_logic;constant BPS_PARA:integer:=5207;constant BPS_PARA_2:integer:=2603;beginprocess(clk,rst_n)beginif (rst_n='0')thencnt<="0000000000000";elseif (rising_edge(clk)) thenif((cnt=BPS_PARA)or(bps_start='0')) thencnt<="0000000000000"; --波特率计数器清零elsecnt<=cnt+'1';--波特率时钟计数启动end if;end if;end if;end process;process(clk,rst_n)beginif (rst_n='0')thenclk_bps_r<='0';elseif (rising_edge(clk)) thenif(cnt=BPS_PARA_2) thenclk_bps_r<='1'; --clk_bps_r高电平为接收数据位的中间采样点，同时也作为发送数据的数据改变点elseclk_bps_r<='0'; --波特率计数器清零end if;end if;end if;clk_bps<=clk_bps_r;end process;end behav;---------------------------------异步发送模块-------------------------------------------library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity uart_tx isport(clk : in std_logic; --系统时钟rst_n: in std_logic; --复位信号rs232_tx: out std_logic; --RS232接收数据信号clk_bps: in std_logic; --此时clk_bps的高电平为接收数据的采样点bps_start:out std_logic;--接收到数据后，波特率时钟启动置位rx_data: in std_logic_vector(7 downto 0); --接收数据寄存器，保存直至下一个数据来到rx_int: in std_logic --接收数据中断信号，接收数据期间时钟为高电平，传送给串口发送模块，使得串口正在进行接收数据的时候，发送模块不工作，避免了一个完整的数据（1位起始位、8位数据位、1位停止位）还没有接收完全时，发送模块就已经将不正确的数据传输出去); end uart_tx;architecture behav of uart_tx issignal rx_int0: std_logic;signal rx_int1: std_logic;signal rx_int2: std_logic;signal neg_rx_int:std_logic;signal bps_start_r:std_logic;signal num:integer;signal tx_data:std_logic_vector(7 downto 0); --串口接收数据寄存器，保存直至下一个数据到来beginprocess(clk,rst_n)beginif (rst_n='0')thenrx_int0<='0';rx_int1<='0';rx_int2<='0';elseif (rising_edge(clk)) thenrx_int0<=rx_int;rx_int1<=rx_int0;rx_int2<=rx_int1;end if;end if;neg_rx_int <=not(rx_int1)and (rx_int2);end process;process(clk,rst_n)beginif (rst_n='0')thenbps_start_r<='0';tx_data<="00000000";elseif (rising_edge(clk)) thenif(neg_rx_int='1') then--接收到串口数据线rs232_rx的下降沿标志信号bps_start_r<='1'; --启动串口准备数据接收tx_data<=rx_data;--接收数据中断信号使能else if((num= 15) and (clk_bps='1')) then --接收完有用数据信息bps_start_r<='0'; --数据接收完毕，释放波特率启动信号end if;end if;end if;end if;bps_start<=bps_start_r;end process;process(clk,rst_n)beginif (rst_n='0')thenrs232_tx<='1';num<=0;elseif (rising_edge(clk)) thenif(clk_bps='1')thennum<=num+1;case num iswhen 1=>rs232_tx<='0';when 2=>rs232_tx<=tx_data(0);--发送第1bitwhen 3=>rs232_tx<=tx_data(1);--发送第2bitwhen 4=>rs232_tx<=tx_data(2);--发送第3bitwhen 5=>rs232_tx<=tx_data(3);--发送第4bitwhen 6=>rs232_tx<=tx_data(4);--发送第5bitwhen 7=>rs232_tx<=tx_data(5);--发送第6bitwhen 8=>rs232_tx<=tx_data(6);--发送第7bitwhen 9=>rs232_tx<=tx_data(7);--发送第8bitwhen 10=>rs232_tx<='1';when 11=>num<=15;when others=>null;end case;if(num=15) thennum<=0;end if;end if;end if;end if;end process;end behav;四、实验步骤1、建立新工程UART，选择芯片，型号为cyclone ii EP2C35F484C8。