大 学
高级可编程逻辑实验报告
实验课程名称 ：串口通信
实验指导老师 ：
学 生 姓 名 ：（s100103008）
（s100101095）
（s100131047）
20##年12月20日
串口通信
一、实验目的
1、熟练掌握QuartusII的使用
2、学习多层次的设计方法，掌握基本的Verilog语言
3、进一步熟悉和掌握高级可编程逻辑器件FPGA
4、用所学知识制作简单的硬件
5、通过实验箱实现PC机与试验箱的单向通信。
二、实验设计思路
本试验通过在高级可编程逻辑实验课上所学的QuartusII工具，使用Verilog编程，在将程序下载到试验箱中。设计的要求是基于FPGA的LCD显示屏控制系统，系统由一片FPGA芯片、LCD显示及接口驱动电路模块组成。采用Altera公司的EP3C10E144C8 FPGA芯片。PC上位机与FPGA核心板采用RS232串口通信和JTAG下载线。FPGA核心板的输出通过显示驱动模块点亮LCD显示屏。串口通信电路模块采用MAX232芯片实现电平转换及数据的通信。
三、实验原理
1、关于1602LCD屏的相关信息
2、串行通信的原理
根据同步方式的不同，串行通信又分为两类，异步通信和同步通信。同步通信时除了需要发送数据线，接收数据线和信号地线以外，还需要一根时钟信号线，时钟信号用于同步数据的发送和接收，传送时是先读取同步位，两设备的同步模式一样时数据开始传送，直到送完数据块，发送大的数据块时要周期性的重发同步字符。同步通信主要是应用于高速数据传送场合。异步通信，数据或字符是一帧一帧地传送，帧定义为一个字符完整的通信格式，也称为帧格式。它用占用一位的起始位表示字符的开始，其后是5到8位数据，规定低位在前，高位在后；再是奇偶校验位，通过对数据奇偶性的检查，用于判别字符传输的正确性，可选择三种方式即奇校验、偶校验和无校验；最后用停止位表示字符的结束，可以是1位、1.5位或2位。从起始位开始到停止位结束构成完整的一帧，由于异步通信每传送一帧都有固定的格式，通信双方只要按约定的帧格式来发送和接受数据，所以硬件结构比同步通信方式简单。此外，它还能利用校验位检测错误，所以这种通信方式应用较为广泛。在单片机中主要采用异步通信方式。串行通信的数据传送速率可以用波特率表示，其意义是每秒传送多少位二进制数。
串行通信时，要求通讯双方都采用一个物理接口标准，使不同厂家生产的各种设备可以方便地连接起来进行通讯，目前应用最为广泛的有RS-232和RS-485两种。RS-232是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准，是数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)之间的接口标准。该标准规定采用一个9引脚的DB-9接口，对接口的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。在日常应用中，一般使用的只有1到4个引脚，RS-232标准 9个引脚DB-9的引脚定义如下图所示。
DB-9引脚定义图
四、软件设计
1、软件设计的思想
在实现通过串口改变LCD液晶显示的字符的功能，在这里我们用分模块的思想来实现其功能，首先创建RS232接收模块，接着创建一个LCD的显示模块，在液晶显示模块中调用RS232接收模块实时的显示从串口接收过来的数据。
2、设计流程图
五、硬件设计
1、设计所需要的硬件资源
硬件电路总体的设计：硬件电路设计，要结合试验箱上的硬件连接，从而对应连接才可以设计电路。首先确定使用FPGA的哪个I/O口，硬件设计在实验箱上已经固化的，我们只需要根据硬件的连接相应的改变软件的设计即可。其中串口电平转换单元由于实验箱上没有MAX232芯片，故需要设计一个电平转换电路，在实验箱上留有40个扩展接口，可以增加扩展模块，在这里就是利用扩展的接口来实现串行数据的接收。
2、硬件连接框图
3、串口电平转换电路
MAX232的引脚T1IN, T2IN, R1OUT, R2OUT为接TTL/CMOS电平的引脚，引脚T1OUT, T2OUT, R1IN, R2IN为接RS-232电平的引脚。
六、实验步骤
1、先建一个工程，将附录三中程序放在该工程下，再调试该程序；
2、编译成功后进行引脚设置，之后再进行全程编译；
3、将程序下载到实验箱中，运行串口调试程序；
4、验证实验结果是否正确。
七、实验结果
1、实验连接的实物图
2、测试是否有信号输入
3、初始化
4、实现输入显示
八、心得体会
通过本学期实验课的学习，我们获得了不少的知识，为我们后续的研究生学习生活指引了方向。回顾这学期，我从对QuartusII不了解到进一步掌握QuartusII的使用全过程，并进一步懂得了多层次的设计方法，掌握了基本的Verilog语言的设计方法。在这次串口通信实验中，从开始选题到最后完成，期间遇到了好多问题。首先，在选题的过程中，由于对试验箱上芯片所能实现的功能的不了解，以及对实验难度的要求，所以一直没办法定下来。最后通过组员们的商量，以及向学长学姐们的咨询，最终把题目定为了：串口通信。然后是在定题后的资料收集过程中，由于我们对串口通信也不是很熟悉，所以需要对串口通信进行全新的学习。虽然网上资料很多，不过还是都必须要自己能够看得熟悉，理解了之后才能自己拿来用。最后就是在程序的调试阶段，由于对软件的不熟悉，这个也花了很长的时间来弄。不过最终还是得出了满意的结果。由于自身实力的问题，没能实现实验箱到PC机这个方向上的通信，只能简单的通过PC机上的串口调试助手对LCD上的显示做出修改。这个就是本实验需要改进的地方。通过这次实验设计，让我进一步熟悉和掌握了Verilog语言。除了课本上的知识之外，在人际交流沟通协作方面也有一定的提升，增强了团队协作能力。然后感谢在这次实验设计中提供过帮助的老师、学长学姐以及同学们！
附录一
引脚配置
附录二
程序一 串口接收模块
module async_receiver(clk, RxD, RxD_data_ready, RxD_data, RxD_endofpacket, RxD_idle);
input clk, RxD;
output RxD_data_ready; // onc clock pulse when RxD_data is valid
output [7:0] RxD_data;
parameter ClkFrequency = 40000000;
parameter Baud = 9600;
// We also detect if a gap occurs in the received stream of characters
// That can be useful if multiple characters are sent in burst
// so that multiple characters can be treated as a "packet"
output RxD_endofpacket; // one clock pulse, when no more data is received (RxD_idle is going high)
output RxD_idle; // no data is being received
// Baud generator (we use 8 times oversampling)
parameter Baud8 = Baud*8;
parameter Baud8GeneratorAccWidth = 16;
wire [Baud8GeneratorAccWidth:0] Baud8GeneratorInc = ((Baud8<<(Baud8GeneratorAccWidth-7))+(ClkFrequency>>8))/(ClkFrequency>>7);
reg [Baud8GeneratorAccWidth:0] Baud8GeneratorAcc;
always @(posedge clk) Baud8GeneratorAcc <= Baud8GeneratorAcc[Baud8GeneratorAccWidth-1:0] + Baud8GeneratorInc;
wire Baud8Tick = Baud8GeneratorAcc[Baud8GeneratorAccWidth];
////////////////////////////
reg [1:0] RxD_sync_inv;
always @(posedge clk) if(Baud8Tick) RxD_sync_inv <= {RxD_sync_inv[0], ~RxD};
// we invert RxD, so that the idle becomes "0", to prevent a phantom character to be received at startup
reg [1:0] RxD_cnt_inv;
reg RxD_bit_inv;
always @(posedge clk)
if(Baud8Tick)
begin
if( RxD_sync_inv[1] && RxD_cnt_inv!=2'b11) RxD_cnt_inv <= RxD_cnt_inv + 2'h1;
else if(~RxD_sync_inv[1] && RxD_cnt_inv!=2'b00) RxD_cnt_inv <= RxD_cnt_inv - 2'h1;
if(RxD_cnt_inv==2'b00) RxD_bit_inv <= 1'b0;
else
if(RxD_cnt_inv==2'b11) RxD_bit_inv <= 1'b1;
end
reg [3:0] state;
reg [3:0] bit_spacing;
// "next_bit" controls when the data sampling occurs
// depending on how noisy the RxD is, different values might work better
// with a clean connection, values from 8 to 11 work
wire next_bit = (bit_spacing==4'd10);
always @(posedge clk)
if(state==0)
bit_spacing <= 4'b0000;
else
if(Baud8Tick)
bit_spacing <= {bit_spacing[2:0] + 4'b0001} | {bit_spacing[3], 3'b000};
always @(posedge clk)
if(Baud8Tick)
case(state)
4'b0000: if(RxD_bit_inv) state <= 4'b1000; // start bit found?
4'b1000: if(next_bit) state <= 4'b1001; // bit 0
4'b1001: if(next_bit) state <= 4'b1010; // bit 1
4'b1010: if(next_bit) state <= 4'b1011; // bit 2
4'b1011: if(next_bit) state <= 4'b1100; // bit 3
4'b1100: if(next_bit) state <= 4'b1101; // bit 4
4'b1101: if(next_bit) state <= 4'b1110; // bit 5
4'b1110: if(next_bit) state <= 4'b1111; // bit 6
4'b1111: if(next_bit) state <= 4'b0001; // bit 7
4'b0001: if(next_bit) state <= 4'b0000; // stop bit
default: state <= 4'b0000;
endcase
reg [7:0] RxD_data;
always @(posedge clk)
if(Baud8Tick && next_bit && state[3]) RxD_data <= {~RxD_bit_inv, RxD_data[7:1]};
reg RxD_data_ready, RxD_data_error;
always @(posedge clk)
begin
RxD_data_ready <= (Baud8Tick && next_bit && state==4'b0001 && ~RxD_bit_inv); // ready only if the stop bit is received
RxD_data_error <= (Baud8Tick && next_bit && state==4'b0001 && RxD_bit_inv); // error if the stop bit is not received
end
reg [4:0] gap_count;
always @(posedge clk) if (state!=0) gap_count<=5'h00; else if(Baud8Tick & ~gap_count[4]) gap_count <= gap_count + 5'h01;
assign RxD_idle = gap_count[4];
reg RxD_endofpacket; always @(posedge clk) RxD_endofpacket <= Baud8Tick & (gap_count==5'h0F);
endmodule
程序二 LCD显示模块
module lcd(clk, RxD, LCD_RS, LCD_RW, LCD_E, LCD_DataBus);
input clk, RxD;
output LCD_RS, LCD_RW, LCD_E;
output [7:0] LCD_DataBus;
wire RxD_data_ready;
wire [7:0] RxD_data;
async_receiver deserialer(.clk(clk), .RxD(RxD), .RxD_data_ready(RxD_data_ready), .RxD_data(RxD_data));
assign LCD_RW = 0;
assign LCD_DataBus = RxD_data;
wire Received_Escape = RxD_data_ready & (RxD_data==0);
wire Received_Data = RxD_data_ready & (RxD_data!=0);
reg [3:0] count;
always @(posedge clk)
if(Received_Data | (count!=0)) count <= count + 1;
// activate LCD_E for 10 clocks, so at 40MHz, that's 10x25ns=250ns
reg LCD_E;
always @(posedge clk)
if(LCD_E==0)
LCD_E <= Received_Data;
else
LCD_E <= (count!=10);
reg LCD_instruction;
always @(posedge clk)
if(LCD_instruction==0)
LCD_instruction <= Received_Escape;
else
LCD_instruction <= (count!=11);
assign LCD_RS = ~LCD_instruction;
endmodule