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[原创] 小梅哥和你一起深入学习FPGA之基于串口猎人虚拟示波器

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    [LV.2]偶尔看看I

    发表于 2016-3-30 11:04:28 |显示全部楼层
    本帖最后由 meng_yi 于 2016-4-7 12:18 编辑

        大家好,久违了。前段时间小梅哥一直在公司进行资料的整理优化。每天都很忙,所以好久都没来论坛上了。今天,终于抽出点儿时间,再来论坛上,分享我前段时间做的一个基于串口猎人的数据采集系统。东西很简单,主要通过芯航线FPGA 开发板,进行数据的采集,然后通过串口发送到电脑上,由串口猎人这个软件来实时显示采集到的数据信号的波形。

    先放一张效果图吧:


    以下是我设计的系统的框架结构:




    接下来,正式开始介绍这个小实验: 基于芯航线FPGA开发板的串口示波器

        本实验,为芯航线开发板的综合实验,该实验利用芯航线开发板上的ADC、独立按键、UART等外设,搭建了一个具备丰富功能的数据采集卡,芯航线开发板负责进行数据的采集并将数据通过串口发送到PC机上,PC端,利用强大的串口调试工具——串口猎人,来实现数据的接收分析,并将数据分别以波形、码表、柱状图的形式动态显示出来,以让使用者能够直观的看到ADC采集到的信号细节。同时,用户也可以使用串口猎人通过串口给下位机(FPGA)发送指令,下位机将对接收到的指令进行解码,然后依据解码结果来配置FPGA中各个子模块的控制寄存器,以实现通过串口控制FPGA中子模块工作状态的功能。

    本实验中,涉及到的应用模块和知识点如下所示:

    串口收发模块的设计和使用;
    串口收发模块仿真模型的设计;
    串口简单数据帧的解码;
    串口帧转Memory Mapped总线的设计;
    Memory MappedSlave模块的设计;
    线性序列机设计思想的应用(ADC驱动);
    独立按键消抖的分析与实现;
    直接数字频率合成(DDS)的设计与实现;
    使能时钟对系统间模块协调工作的重要性;
    串口猎人的详细使用;
    完整系统的仿真验证设计;
    头文件在设计中的运用;
    Quartus II软件中可定制化存储器ROM的使用;

    本实验不仅注重可综合的代码编写,同时更注重代码的仿真验证。通过仿真,我们能够寻找设计中可能存在的问题并修正。最终,在整个系统仿真无误的基础上,下载到开发板上一次性成功。

    系统采用模块化设计,在模块划分的过程中,重点考虑了系统的可扩展性,下表为对系统中各模块功能的简单介绍。(点击图片,然后点击右上角全屏即可查看高清图片)


    系统中各端口和信号的功能介绍如下:(点击图片,然后点击右上角全屏即可查看高清图片)

    本实验为综合性实验,代码量较大,因此这里只针对部分代码进行讲解。如果文档中没有讲到的内容,大家可以参看代码注释。


    1.1Tx_Bps_Gen
    Tx_Bps_Gen为发送波特率生成模块,每当有Byte_En信号到来时,即开始产生发送一个完整字节的数据需要的完整波特率时钟信号。
    本设计,波特率支持9600bps到921600bps。例如,需要产生的波特率时钟为9600bps,即波特率时钟频率为9600Hz,周期为104.17us。生成9600Hz波特率时钟的核心思想就是对系统时钟进行计数,这里设定系统时钟为50MHz,则一个时钟的周期为20ns,我们只需要对系统时钟计数5208次,每计数5208次产生一个时钟周期的高电平脉冲,即可实现生成9600Hz波特率时钟的功能。相应代码如下所示:
    [table]
    018      parameter system_clk = 50_000_000; /*输入时钟频率设定,默认50M*/
    019
    020 /*根据输入时钟频率计算生成各波特率时分频计数器的计数最大值*/         
    021      localparam bps9600 = system_clk/9600 - 1;
    022      localparam bps19200 = system_clk/19200 - 1;
    023      localparam bps38400 = system_clk/38400 - 1;
    024      localparam bps57600 = system_clk/57600 - 1;
    025      localparam bps115200 = system_clk/115200 - 1;
    026      localparam bps230400 = system_clk/230400 - 1;
    027      localparam bps460800 = system_clk/460800 - 1;
    028      localparam bps921600 = system_clk/921600 - 1;        
    029      
    030      reg [31:0]BPS_PARA;/*波特率分频计数器的计数最大值*/
    031
    032      always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
    033      if(!Rst_n)begin
    034          BPS_PARA <= bps9600;/*复位时波特率默认为9600bps*/
    035      end
    036      else begin
    037          case(Baud_Set)/*根据波特率控制信号选择不同的波特率计数器计数最大值*/
    038             3'd0: BPS_PARA <= bps9600;
    039             3'd1: BPS_PARA <= bps19200;
    040             3'd2: BPS_PARA <= bps38400;
    041             3'd3: BPS_PARA <= bps57600;
    042             3'd4: BPS_PARA <= bps115200;
    043             3'd5: BPS_PARA <= bps230400;
    044             3'd6: BPS_PARA <= bps460800;
    045             3'd7: BPS_PARA <= bps921600;              
    046             default: BPS_PARA <= bps9600;  
    047          endcase  
    048      end
    049        
    050 //=========================================================  
    051      reg[12:0]Count;  
    052        
    053      reg n_state;
    054      localparam IDEL_1 = 1'b0,  
    055                   SEND   = 1'b1;
    056                     
    057      reg BPS_EN;
    058        
    059 /*-------波特率时钟生成控制逻辑--------------*/   
    060      always@(posedge Clk or negedge Rst_n)  
    061      if(!Rst_n)begin  
    062          BPS_EN <= 1'b0;  
    063          n_state <= IDEL_1;  
    064      end  
    065      else begin
    066          case(n_state)
    067             IDEL_1:
    068                 if(Byte_En)begin/*检测到字节发送使能信号,则启动波特率生成进程,同时进入发送状态*/
    069                     BPS_EN <= 1'b1;
    070                     n_state <= SEND;
    071                 end
    072                 else begin
    073                     n_state <= IDEL_1;
    074                     BPS_EN <= 1'b0;  
    075                 end
    076             SEND:
    077                 if(Tx_Done == 1)begin/*发送完成,关闭波特率生成进程,回到空闲状态*/
    078                     BPS_EN <= 1'b0;
    079                     n_state <= IDEL_1;
    080                 end  
    081                 else begin  
    082                     n_state <= SEND;  
    083                     BPS_EN <= 1'b1;
    084                 end
    085             default:n_state <= IDEL_1;
    086          endcase  
    087      end
    088
    089 /*-------波特率时钟生成定时器--------------*/  
    090      always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
    091      if(!Rst_n)
    092          Count <= 13'd0;
    093      else if(BPS_EN == 1'b0)
    094          Count <= 13'd0;
    095      else begin
    096          if(Count == BPS_PARA)
    097             Count <= 13'd0;
    098          else
    099             Count <= Count + 1'b1;
    100      end
    101      
    102 /*输出数据接收采样时钟*/   
    103 //-----------------------------------------------
    104      always @(posedge Clk or negedge Rst_n)
    105      if(!Rst_n)
    106          Bps_Clk <= 1'b0;
    107      else if(Count== 1)
    108          Bps_Clk <= 1'b1;
    109      else
    110          Bps_Clk <= 1'b0;
       
    第18行“parameter system_clk = 50_000_000;”,这里用一个全局参数定义了系统时钟,暂时设定为50M,可根据实际使用的板卡上的工作时钟进行修改。
    所谓波特率生成,就是用一个定时器来定时,产生频率与对应波特率时钟频率相同的时钟信号。例如,我们使用波特率为115200bps,则我们需要产生一个频率为115200Hz的时钟信号。那么如何产生这样一个115200Hz的时钟信号呢?这里,我们首先将115200Hz时钟信号的周期计算出来,1秒钟为1000_000_000ns,因此波特率时钟的周期Tb=1000000000/115200 =8680.6ns,即115200信号的一个周期为8680.6ns,那么,我们只需要设定我们的定时器定时时间为8680.6ns,每当定时时间到,产生一个系统时钟周期长度的高脉冲信号即可。系统时钟频率为50MHz,即周期为20ns,那么,我们只需要计数8680/20个系统时钟,就可获得8680ns的定时,即bps115200=Tb/Tclk- 1=Tb*fclk - 1=fclk/115200-1。相应的,其它波特率定时值的计算与此类似,这里小梅哥就不再一一分析。20行至28行为波特率定时器定时值的计算部分。
    为了能够通过外部控制波特率,设计中使用了一个3位的波特率选择端口:Baud_Set。通过给此端口不同的值,就能选择不同的波特率,此端口控制不同波特率的原理很简单,就是一个多路选择器,第32行至第48行即为此多路选择器的控制代码, Baud_Set的值与各波特率的对应关系如下:
    000 : 9600bps;
    001 : 19200bps;
    010 :38400bps;
    011 :57600bps;
    100 :115200bps;
    101 :230400bps;
    110 :460800bps;
    111:921600bps;


    如有任何疑问,欢迎加入芯航线FPGA学习支持群(472607506)进行讨论
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