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  • 串行接口(UART)------verilog实现串口接收模块

    万次阅读 多人点赞 2018-11-15 15:08:35
    串行接口(Serial port),主要用于串行式逐位数据传输。常见的有一般计算机应用的RS-232(使用 25 针或 9 针连接器)和工业计算机应用的半双工RS-485与全双工RS-422。----------维基百科 按照电气标准划分,串口...

    一、串口基本概念

    串行接口(Serial port),主要用于串行式逐数据传输。常见的有一般计算机应用的RS-232(使用 25 针或 9 针连接器)和工业计算机应用的半双工RS-485全双工RS-422。----------维基百科

    按照电气标准划分,串口可以分为RS-232-C、RS-422、RS-485。

    RS-232-C:也称标准接口,是目前最常用的一种串行通讯接口。台式计算机一般有两个串行口:COM1和COM2,均为9针D形接口通常在计算机后面能看到,一般笔记本上有一个串口,超薄本除外。RS-232-C电气标准接口传输速率低,传输距离近。

    RS-422:为改进RS-232-C传输距离近,传输速率低的特点,RS-422定义了一种平衡通信接口,传输速率提高到10Mb/s,并允许在一条接收总线上挂多个接收器。

    RS-485:为扩展应用范围,EIA又于1983年在RS-422基础上制定了RS-485 标准,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,同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性,扩展了总线共模范围,后命名为 TIA/EIA-485-A标准。

     下图是串口公口实物图,在台式机和笔记本上一般都能找到。维基百科

    串口公口
    图1 串口公口

     2、串口传输时序-------参考【FPGA黑金开发板】Verilog HDL那些事儿--串口模块(十一)

    图2  串口时序

     图2是串口传输数据的时序图,串口总线默认是高电平,一帧数据开始必须先拉低电平,对应图中起始位。串口传输数据是以数据包为单位的,一个数据包有11位,其中先传输起始位,紧接着传输8个数据位,数据位是按照由低到高的顺序进行传输的,接着传输校验位,最后传输停止位。

    串口还有一个重要的参数就是波特率,一般用波特率来形容串口传输数据的速度。常用的波特率有9600bps和115200bps,本文主要介绍9600bps。bps:bit per second,就是每秒钟传输多少位;9600bps就是每秒钟传输9600位,对应的传输一位所用的时钟周期就是9600Hz。接下来本文参考《verilog那些事儿——建模篇》中串口模块的划分来实现串口的接收部分verilog代码。

    3、串口接收分析

    由于这里是串口接收模块的介绍,为简单考虑从串口外部输入的信号只考虑RX_data_in。由于串口接收数据有明显的先后顺序,因此可以使用状态机来描述串口接收数据过程。使用算法状态机描述串口接收过程如下图所示:

     

    图3 算法状态机

    图3中s0状态实现数据的初始化,start信号对应串口发送的起始位数据,使用沿检测电路实现;s2状态是接收8位有效数据状态,由于串口是串行将数据接收进来,然后转成并行数据,因此s1部分的电路可以用右移的移位寄存器实现(串口先发送低位数据,所以选用右移移位寄存器);图中虽然画出了s3状态执行校验功能,但是本代码不考虑检验问题,因此s3状态相当于是空状态;s4状态是串口接收数据完毕发出的标志信号。根据算法状态机可以看出,实现串口的接收所需要的基本电路有移位寄存器电路、计数器电路和触发器电路。

    4、数据路径

    图4 数据路径

     数据路径如图4所示,波特率定时信号的作用分析如下:

    图5 FPGA接收数据过程

     由于FPGA的工作时钟较快,串口发送数据较慢。如图5所示,串口发送一位数据可能占用多个FPGA时钟周期,因此需要增加采样信号sampling_signal,采样信号有效时占一个时钟周期,在采样信号有效时,FPGA才接收数据,保证每位数据只接收一次。波特率定时计数器就是用来产生采样信号的,在波特率定时计数器计数到一定数据后,采样信号有效,否则,采样信号无效,这样就可以产生如图5所示的采样信号。

    5、控制信号

    图6  控制信号

    图6给出了控制信号在哪个状态有效。在s0状态,移位寄存器和计数器加载0,D触发器使能信号en_b有效,检测串口发送的数据rx_pin_in的起始信号,待检测到起始信号后,start信号有效,进入s1状态,在s1状态使能波特率采样计时信号cnt_en,判断串口采样信号sinpling_signal是否有效,若有效,设置计数器使能信号有效,反之,设置计数器使能信号无效;在计数器cnt=1时,进入s2状态,此状态开始接收串口发送的8位数据位,首先使能波特率采样计时信号cnt_en,判断sinpling_signal是否有效,若有效,计数器使能信号和移位寄存器使能信号均设置为有效,反之,设置为无效;待8位数据位接收完毕后,进入s3状态,此时仍然使能波特率采样计时信号cnt_en,判断采样信号sinpling_signal是否有效,若有效,设置计数器使能信号有效,反之,设置无效。待计数器记到10时,进入s3状态,串口发送的11位信号接收完毕标志信号done拉高,此时仍然使能波特率采样计时信号cnt_en,判断sinpling_signal是否有效,若有效设置计数器使能信号有效,反之,设置无效。然后进入s0空闲状态,等待下一次数据接收。

    6、verilog描述

    接下来就可以使用verilog语言描述上述电路:

    module RECEIVE_MODULE(input clk_in,
    							 input rst,
    							 input rx_pin_in,
    							 output [7:0] rx_data,
    							 output reg done,
    							 output clk_50m
        );
    //wire clk_50m;	 
    clk_1 clk_1 (
        .CLKIN_IN(clk_in), 
        .CLKFX_OUT(clk_50m), 
        .CLKIN_IBUFG_OUT(CLKIN_IBUFG_OUT), 
        .CLK0_OUT(CLK0_OUT)
        );
    
    parameter s0 = 'b00001;
    parameter s1 = 'b00010;
    parameter s2 = 'b00100;
    parameter s3 = 'b01000;
    parameter s4 = 'b10000;
    reg[4:0]current_state = 'd0;
    reg[4:0]next_state = 'd0;
    //
    wire start;
    reg en_b;
    reg cnt_en;
    wire simpling_signal;
    reg load_c;
    reg en_c;
    reg en_a;
    reg load_a;
    wire [3:0]count;
    /
    always @(posedge clk_50m or negedge rst)
    	if(!rst)
    		current_state <= s0;
    	else
    		current_state <= next_state;
    /
    always @(*)
    	case(current_state)
    		s0:	begin
    			if(start)
    				next_state = s1;
    			else
    				next_state = s0;
    		end
    		s1:	begin///起始位
    			if(count == 'd1)
    				next_state = s2;
    			else
    				next_state = s1;
    		end
    		s2:	begin///数据位
    			if(count == 'd9)
    				next_state = s3;
    			else
    				next_state = s2;
    		end
    		s3:	begin
    			if(count == 'd10)
    				next_state = s4;
    			else
    				next_state = s3;
    		end
    		s4:	begin
    			if(count == 'd0)
    				next_state = s0;
    			else
    				next_state = s4;
    		end
    		default:next_state = s0;			
    	endcase
    /
    always @(*)
    	case(current_state)
    		s0:	begin
    			en_b = 'd1;
    			load_a = 'd1;
    			load_c = 'd1;
    			cnt_en = 'd0;
    			en_a = 'd0;
    			en_c = 'd0;
    			done = 'd0;
    		end
    		s1:	begin
    			en_b = 'd1;
    			load_a = 'd0;
    			load_c = 'd1;
    			cnt_en = 'd1;
    			en_c = 'd0;
    			done = 'd0;
    			if(simpling_signal)	begin
    				en_a = 'd1;
    			end
    			else	begin
    				en_a = 'd0;
    			end
    		end
    		s2:	begin
    			en_b = 'd0;
    			load_a = 'd0;
    			load_c = 'd0;
    			cnt_en = 'd1;
    			done = 'd0;
    			if(simpling_signal)	begin
    				en_c = 'd1;
    				en_a = 'd1;
    			end
    			else	begin
    				en_c = 'd0;
    				en_a = 'd0;
    			end
    		end
    		s3:	begin
    			en_b = 'd0;
    			load_a = 'd0;
    			load_c = 'd0;
    			cnt_en = 'd1;	
    			en_c = 'd0;
    			done = 'd0;
    			if(simpling_signal)
    				en_a = 'd1;
    			else
    				en_a = 'd0;
    		end
    		s4:	begin
    			en_b = 'd0;
    			load_a = 'd0;
    			load_c = 'd0;
    			cnt_en = 'd1;	
    			en_c = 'd0;
    			done = 'd1;
    			if(simpling_signal)
    				en_a = 'd1;
    			else
    				en_a = 'd0;			
    		end
    		default:	begin
    			en_b = 'd0;
    			load_a = 'd0;
    			load_c = 'd0;
    			cnt_en = 'd0;
    			en_a = 'd0;
    			en_c = 'd0;
    			done = 'd0;
    		end
    	endcase
    // Instantiate the module
    edge_detection edge_detection (
        .clk_50m(clk_50m), 
        .en_b(en_b), 
        .rx_pin_in(rx_pin_in), 
        .start(start)
        );
    // Instantiate the module
    BPS_TIMER BPS_TIMER (
        .clk_50m(clk_50m), 
        .cnt_en(cnt_en), 
        .simpling_signal(simpling_signal)
        );
    // Instantiate the module
    right_shifter right_shifter (
        .clk_50m(clk_50m), 
        .load_c(load_c), 
        .en_c(en_c), 
        .rx_pin_in(rx_pin_in), 
        .rx_data(rx_data)
        );
    // Instantiate the module
    COUNT_NUM COUNT_NUM (
        .clk_50m(clk_50m), 
        .load_a(load_a), 
        .en_a(en_a), 
        .count(count)
        );
    endmodule
    

     边沿检测模块代码:

    module edge_detection(input clk_50m,
    							 input en_b,
    							 input rx_pin_in,
    							 output start
        );
    reg rx_pin_in_1 = 'd0;
    always @(posedge clk_50m)
    	if(en_b)
    		rx_pin_in_1 <= rx_pin_in;
    	else
    		rx_pin_in_1 <= rx_pin_in_1;
    		
    assign start = (!rx_pin_in) & rx_pin_in_1;
    
    endmodule
    

     波特率定时模块代码:

    由于使用的时钟是50mhz的,而串口的波特率是9600bps,即串口发送数据的时钟是9600hz,因此需要使用50mhz的时钟产生个计数器,
    ///使其每1/9600s产生一个允许采样脉冲。
    //计数器大小设置:500*10^3/96 = 5208,\,因此计数器需要计数5208个数,由于在数据中间在中间时刻更稳定,因此,在5208/2=2604时对数据进行采样更准确,
    //由于计数是从零开始,因此在2603时对数据进行采样,数据计数到5207清零。
    //
    module BPS_TIMER(input clk_50m,
    					  input cnt_en,
    					  output simpling_signal
        );
    reg [12:0] cnt = 'd0;
    always @(posedge clk_50m)
    	if(cnt_en)	begin
    		if(cnt == 'd5207)
    			cnt <= 'd0;
    		else
    			cnt <=  cnt + 'd1;
    	end
    	else
    		cnt <= 'd0;
    assign simpling_signal = (cnt == 'd2603)?'b1:'b0;
    endmodule
    

     右移寄存器模块代码:

    //此模块用于将串行发送的数据转成并行接收
    //
    module right_shifter(input clk_50m,
    							input load_c,
    							input en_c,
    							input rx_pin_in,
    							output reg[7:0]rx_data
        );
    always @(posedge clk_50m)
    	if(load_c)
    		rx_data <= 'd0;
    	else if(en_c)
    		rx_data <= {rx_pin_in,rx_data[7:1]};
    	else
    		rx_data <= rx_data;
    endmodule

     计数器模块代码:

    module COUNT_NUM(input clk_50m,
    					  input load_a,
    					  input en_a,
    					  output reg [3:0]count
        );
    always @(posedge clk_50m)
    	if(load_a)
    		count <= 'd0;
    	else if(en_a)	begin
    		if(count == 'd10)
    			count <= 'd0;
    		else
    			count <= count + 'd1;
    	end
    	else
    		count <= count;
    		
    endmodule
    

     仿真激励文件代码:

    module test;
    
    	// Inputs
    	reg clk_in;
    	reg rst;
    	reg rx_pin_in = 'd1;
    
    	// Outputs
    	wire [7:0] rx_data;
    	wire done;
    	wire clk_50m;
    
    	// Instantiate the Unit Under Test (UUT)
    	RECEIVE_MODULE uut (
    		.clk_in(clk_in), 
    		.rst(rst), 
    		.rx_pin_in(rx_pin_in), 
    		.rx_data(rx_data), 
    		.done(done),
    		.clk_50m(clk_50m)
    	);
    
    	initial begin
    		// Initialize Inputs
    		clk_in = 0;
    		rst = 0;
    		rx_pin_in = 1;
    
    		// Wait 100 ns for global reset to finish
    		#100;
    		// Add stimulus here
    
    	end
    	reg clk1= 'd1;
          always #5 clk_in = ~clk_in;
    		
    	reg [15:0]cnt = 'd0;
    	always @(posedge clk_50m)
    		if(cnt>0)
    			rst <= 'd1;
    		else
    			rst <= rst;
    			
    		always @(posedge clk_50m)
    			if(cnt == 'd60000)/'d57287
    				cnt <= 'd0;
    			else
    				cnt <= cnt + 'd1;
    		always @(posedge clk_50m)
    			if(cnt>'d10&&cnt<='d5208)
    				rx_pin_in <= 'd0;//1
    			else if(cnt>='d5208&&cnt<='d10415)
    				rx_pin_in <= 'd1;//2
    			else if(cnt>='d10416&&cnt<='d15623)
    				rx_pin_in <= 'd0;3
    			else if(cnt>='d15624&&cnt<='d20831)
    				rx_pin_in <= 'd1;///4
    			else if(cnt>='d20832&&cnt<='d26039)
    				rx_pin_in <= 'd0;5
    			else if(cnt>='d26040&&cnt<='d31247)
    				rx_pin_in <= 'd1;///6
    			else if(cnt>='d31248&&cnt<='d36455)
    				rx_pin_in <= 'd0;///7
    			else if(cnt>='d36456&&cnt<='d41663)
    				rx_pin_in <= 'd1;///8
    			else if(cnt>='d41664&&cnt<='d46871)
    				rx_pin_in <= 'd1;///9
    			else if(cnt>='d46872&&cnt<='d52079)
    				rx_pin_in <= 'd1;///10
    			else if(cnt>='d52080&&cnt<='d57287)
    				rx_pin_in <= 'd1;///11
    endmodule
    
    

    Isim行为仿真结果:

    图7 仿真结果

    从仿真波形中可以看出,当串行发送信号 01010101111时,在done信号拉高时接收数据完毕,显示接收的数据是11010101。因此,从仿真上看串口的接收可以正常工作。

     

    展开全文
  • 串口通讯--传输速率和传输距离

    万次阅读 2015-06-25 10:43:20
    串行通信中,用“波特率”来描述数据的传输速率。所谓波特率,即每秒钟传送的二进制位数,其单位为bps(bits per second)。它是衡量串行数据速度快慢的重要指标。有时也用“位周期”来表示传输速率,位周期是...

     

     

    1.波特率

    在串行通信中,用“波特率”来描述数据的传输速率。所谓波特率,即每秒钟传送的二进制位数,其单位为bps(bits per second)。它是衡量串行数据速度快慢的重要指标。有时也用“位周期”来表示传输速率,位周期是波特率的倒数。国际上规定了一个标准波特率系列:110、300、600、1200、1800、2400、4800、9600、14.4Kbps、19.2Kbps、28.8Kbps、33.6Kbps、56Kbps。 例如:9600bps,指每秒传送9600位,包含字符的数位和其它必须的数位,如奇偶校验位等。 大多数串行接口电路的接收波特率和发送波特率可以分别设置,但接收方的接收波特率必须与发送方的发送波特率相同。通信线上所传输的字符数据(代码)是逐为位传送的,1个字符由若干位组成,因此每秒钟所传输的字符数(字符速率)和波特率是两种概念。在串行通信中,所说的传输速率是指波特率,而不是指字符速率,它们两者的关系是:假如在异步串行通信中,传送一个字符,包括12位(其中有一个起始位,8个数据位,2个停止位),其传输速率是1200b/s,每秒所能传送的字符数是1200/(1+8+1+2)=100个。

     

    图1

    2.发送/接收时钟

    在串行传输过程中,二进制数据序列是以数字信号波形的形式出现的,如何对这些数字波形定时发送出去或接收进来,以及如何对发/收双方之间的数据传输进行同步控制的问题就引出了发送/接收时钟的应用。

    在发送数据时,发送器在发送时钟(下降沿)作用下将发送移位寄存器的数据按串行移位输出;在接收数据时,接收器在接收时钟(上升盐)作用下对来自通信线上串行数据,按位串行移入移位寄存器。可见,发送/接收时钟是对数字波形的每一位进行移位操作,因此,从这个意义上来讲,发送/接收时钟又可叫做移位始终脉冲。另外,从数据传输过程中,收方进行同步检测的角度来看,接收时钟成为收方保证正确接收数据的重要工具。为此,接收器采用比波特率更高频率的时钟来提高定位采样的分辨能力和抗干扰能力。

    3. 波特率因子

    在波特率指定后,输入移位寄存器/输出移位寄存器在接收时钟/发送时钟控制下,按指定的波特率速度进行移位。一般几个时钟脉冲移位一次。要求:接收时钟/发送时钟是波特率的16、32或64倍。波特率因子就是发送/接收1个数据(1个数据位)所需要的时钟脉冲个数,其单位是个/位。如波特率因子为16,则16个时钟脉冲移位1次。 例:波特率=9600bps,波特率因子=32,则 接收时钟和发送时钟频率=9600×32=297200Hz。

    4.传输距离

    串行通信中,数据位信号流在信号线上传输时,要引起畸变,畸变的大小与以下因素有关:

    波特率——信号线的特征(频带范围)

    传输距离——信号的性质及大小(电平高低、电流大小)

    当畸变较大时,接收方出现误码。

    在规定的误码率下,当波特率、信号线、信号的性质及大小一定时,串行通信的传输距离就一定。为了加大传输距离,必须加调制解调器。

     

    图2

     

    展开全文
  • 计算机网络中信息传输速率单位是位/秒 。在网络设备和带宽中使用的单位均为bps。bps是【bit per second】的缩写。翻译成中文就是比特位每秒。也就是一秒传输多少位的意思。数据传输速率(Data Transfer Rate),是...

    对的。计算机网络中信息传输速率的单位是位/秒 。

    在网络设备和带宽中使用的单位均为bps。bps是【bit per second】的缩写。翻译成中文就是比特位每秒。也就是一秒传输多少位的意思。

    数据传输速率(Data Transfer Rate),是描述数据传输系统的重要技术指标之一。数据传输速率在数值上等于每秒钟传输构成数据代码的比特数。

    扩展资料:

    数据源与数据宿之间通过一个或多个数据信道或链路、共同遵循一个通信协议而进行的数据传输技术的方法和设备。在情报技术中,主要用于计算机与计算机或计算机数据库之间、计算机与终端之间、终端与终端之间的信息通信或情报检索。

    典型的数据传输系统由主计算机 (host) 或数据终端设备 (DTE-data terminial equipment)、数据电路终端设备及数据传输信道 (专线或交换网)组成。

    数据的传输过程是DTE把人们要传送的文字、图像或语言信息经机电转换、光电转换或声电转换的人机接口变成设备内的电信号,再通过DCE 变成适合信道传输的信号送到数据传输信道。数据传输采用基带传输与宽带传输,并行通信与串行通信,单工、半双工与全双工。

    参考资料来源:

    展开全文
  • 串行通信中,用”波特率”来描述数据的传输速率.所谓波特率,即每秒钟传送的二进制位数,其单位为bps(bits per second).它是衡量串行数据速度快慢的重要指标.有时也用”位周期”来表示传输速率,位周期是波特率的倒数....

    1. 波特率

    在串行通信中,用”波特率”来描述数据的传输速率.所谓波特率,即每秒钟传送的二进制位数,其单位为bps(bits per second).它是衡量串行数据速度快慢的重要指标.有时也用”位周期”来表示传输速率,位周期是波特率的倒数.国际上规定了一个标准波特率系列:110、300、600、1200、1800、2400、4800、9600、14.4Kbps、19.2Kbps、28.8Kbps、33.6Kbps、56Kbps. 例如:9600bps,指每秒传送9600位,包含字符的数位和其它必须的数位,如奇偶校验位等. 大多数串行接口电路的接收波特率和发送波特率可以分别设置,但接收方的接收波特率必须与发送方的发送波特率相同.通信线上所传输的字符数据(代码)是逐位传送的,1个字符由若干位组成,因此每秒钟所传输的字符数(字符速率)和波特率是两种概念.在串行通信中,所说的传输速率是指波特率,而不是指字符速率,它们两者的关系是:假如在异步串行通信中,传送一个字符,包括12位(其中有一个起始位,8个数据位,一个奇偶校验位,2个停止位),其传输速率是1200b/s,每秒所能传送的字符数是1200/(1+8+1+2)=100个.

    图1

    2. 发送/接收时钟

    在串行传输过程中,二进制数据序列是以数字信号波形的形式出现的,如何对这些数字波形定时发送出去或接收进来,以及如何对发/收双方之间的数据传输进行同步控制的问题就引出了发送/接收时钟的应用.

    在发送数据时,发送器在发送时钟(下降沿)作用下将发送移位寄存器的数据按串行移位输出;在接收数据时,接收器在接收时钟(上升沿)作用下对来自通信线上串行数据,按位串行移入移位寄存器.可见,发送/接收时钟是对数字波形的每一位进行移位操作,因此,从这个意义上来讲,发送/接收时钟又可叫做移位时钟脉冲.另外,从数据传输过程中,收方进行同步检测的角度来看,接收时钟成为接收方保证正确接收数据的重要工具.为此,接收器采用比波特率更高频率的时钟来提高定位采样的分辨能力和抗干扰能力.

    3. 波特率因子

    在波特率指定后,输入移位寄存器/输出移位寄存器在接收时钟/发送时钟控制下,按指定的波特率速度进行移位.一般几个时钟脉冲移位一次.要求:接收时钟/发送时钟是波特率的16、32或64倍.波特率因子就是发送/接收1个数据(1个数据位)所需要的时钟脉冲个数,其单位是个/位.如波特率因子为16,则16个时钟脉冲移位1次. 例:波特率=9600bps,波特率因子=32,则接收时钟和发送时钟频率=9600×32=297200Hz.波特率表明了每秒钟发送的bit数,波特率因子表明了每发送一个bit需要的时钟脉冲数,而收发时钟表明了每秒有多少个时钟脉冲.

    4. 传输距离

    串行通信中,数据位信号流在信号线上传输时,要引起畸变,畸变的大小与以下因素有关:

    • 波特率——信号线的特征(频带范围)
    • 传输距离——信号的性质及大小(电平高低,电流大小) 

    当畸变较大时,接收方出现误码.

    在规定的误码率下,当波特率、信号线、信号的性质及大小一定时,串行通信的传输距离就一定.为了加大传输距离,必须加调制解调器.

    图2

    本文转自:http://cs.nju.edu.cn/yangxc/dcc2003.files/jszc-sub/comif-04.htm

    转载于:https://www.cnblogs.com/jason-lu/articles/3171883.html

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