树莓派发送指令控制FPGA板子上的流水灯程序

文章目录

前言
一、树莓派简介
二、整体实现步骤
三、树莓派设置
四、树莓派串口代码
五、Verilog代码
- 5.1 串口接收模块
- 5.2 流水灯模块
六、quartus引脚绑定
七、运行效果
总结
参考

前言

本次实验的目的是通过树莓派和FPGA之间的串口通信，控制FPGA开发板上的小灯。实验将展示如何使用树莓派发送特定的字符信号，通过串口传输至FPGA，并在FPGA上实现逻辑解析，以点亮指定的小灯。这不仅验证了树莓派与FPGA之间的通信能力，也展示了数字逻辑设计在实际应用中的灵活性。

实验器材：
DE2-115开发板
树莓派

一、树莓派简介

树莓派是什么？
树莓派（Raspberry Pi）是尺寸仅有信用卡大小的一个小型电脑，您可以将树莓派连接电视、显示器、键盘鼠标等设备使用。
树莓派能替代日常桌面计算机的多种用途，包括文字处理、电子表格、媒体中心甚至是游戏。并且树莓派还可以播放高至 4K 的高清视频。
我们希望将树莓派推广给全世界的青少年电脑爱好者，用于培养计算机程序设计的兴趣和能力。

树莓派各版本发布时间和差异对照：
在这里插入图片描述

二、整体实现步骤

1.使用一个FPGA开发板和一个串口通信模块（如UART）来进行通信。确保开发板上有足够的GPIO引脚可用于连接流水灯。
2.在FPGA开发环境中创建一个新项目，并为其添加一个顶层模块。这个顶层模块将负责接收串口数据，并控制流水灯的状态。
3.在顶层模块中添加一个串口接收器模块，用于接收来自串口通信模块的数据。您可以使用FPGA开发环境提供的现成模块，或者自己编写一个。
4.在顶层模块中添加一个计数器，用于控制流水灯的状态。每当接收到串口数据时，计数器会更新，并根据其值来控制流水灯的亮灭。
5.添加一个输出模块，将计数器的值连接到流水灯所需的GPIO引脚上。确保配置正确的约束文件，以确保引脚映射正确。
6.编译和烧录FPGA，并将串口通信模块连接到计算机上。您可以使用串口终端程序来发送数据给FPGA。
7.当串口接收器接收到数据时，计数器将更新，并相应地控制流水灯的状态。

三、树莓派设置

1、首先确认波特率设置正确，是否为115200。（当然，其他波特率也可以的，不过代码得改一下
2、向microSD卡中烧录树莓派官方的镜像后，先不要急着把它插入树莓派中。
3、在电脑上打开microSD卡，按如下方式修改config.txt和cmdline.txt这两个文件，在config.txt文件中附加

dtoverlay=pi3-miniuart-bt

在电脑里直接打开比在树莓派里打开要好操作，不用获取权限
然后把cmdline.txt中的内容换成

dwc_otg.lpm_enable=0 console=tty1 console=serial0,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rootfstype=ext4 elevator=deadline fsck.repair=yes rootwait

修改完成之后，我们打开树莓派

进入到树莓派的命令行当中进行如下操作
在命令行中输入如下命令

sudo chmod 777 /dev/ttyAMA0
这里要先获取权限，否则后面代码会报错

四、树莓派串口代码

fpgaUart.c

#include <stdio.h>
#include <wiringPi.h>
#include <wiringSerial.h>int main()
{int fd =serialOpen("/dev/ttyAMA0",115200); //打开串口if(fd == -1){	//如果打开串口失败则退出程序printf("serialOpen failed!\n");return 0;}printf("serialOpen success!\n");while(1){serialPrintf(fd,"A");delay(2000);serialPrintf(fd,"B");delay(2000);}return 0;
}

编译命令
gcc -o fpgaUart fpgaUart.c -lwiringPi

五、Verilog代码

5.1 串口接收模块

uart_rx.v

module uart_rx (input               clk     ,input               rst_n   ,input               din     ,   //pc端发送给FPGA的数据output  reg [7:0]   dout    ,   //发送给tx 让他串行的传出去output  reg         dout_vld    //当这一次8bit接收完成 再传给tx
);parameter BAUD = 434 ;  //使用波特率115200 发送1bit所需要的时钟周期reg     [8:0]       cnt_bsp     ;wire                add_cnt_bsp ;wire                end_cnt_bsp ;reg     [3:0]       cnt_bit     ;   //计数当前到了哪一bit了 计数9bit 起始位加上数据wire                add_cnt_bit ;wire                end_cnt_bit ;reg                 din_r0      ;   //同步到时钟上升沿reg                 din_r1      ;   //打拍 延时一个时钟周期wire                nedge       ;   //下降沿reg                 flag        ;   //计数器计数的标志 下降沿到来之后开始计数 传输数据完成了就停止计数reg     [8:0]       data        ;   //寄存数据always @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)begincnt_bsp <= 9'b0;endelse if(add_cnt_bsp)beginif(end_cnt_bsp)begincnt_bsp <= 9'b0;endelse begincnt_bsp <= cnt_bsp + 1'b1;endendelse begincnt_bsp <= cnt_bsp;endendassign add_cnt_bsp = flag;assign end_cnt_bsp = add_cnt_bsp && cnt_bsp == BAUD - 1;always @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)begincnt_bit <= 4'b0;endelse if(add_cnt_bit)beginif(end_cnt_bit)begincnt_bit <= 4'b0;endelse begincnt_bit <= cnt_bit + 1'b1;endendelse begincnt_bit <= cnt_bit;endendassign add_cnt_bit = end_cnt_bsp;assign end_cnt_bit = add_cnt_bit && cnt_bit == 8; //起始位加上8bit数据位always @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)begindin_r0 <= 1'b1;din_r1 <= 1'b1;endelse begindin_r0 <= din;din_r1 <= din_r0;endendassign nedge = ~din_r0 & din_r1; always @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginflag <= 1'b0;endelse if(nedge)beginflag <= 1'b1;endelse if(end_cnt_bit)beginflag <= 1'b0;endelse beginflag <= flag;endendalways @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)begindata <= 9'b0;endelse if(cnt_bsp == (BAUD >> 1) && flag)begindata[cnt_bit] <= din;   //串并转换  LSBendelse begindata <= data;endendalways @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)begindout <= 8'b0;dout_vld <= 1'b0;endelse if(end_cnt_bit)begindout <= data[8:1];  //第0位是起始位 舍弃掉dout_vld <= 1'b1;endelse begindout <= dout;dout_vld <= 1'b0;endendendmodule

5.2 流水灯模块

led.v

module led (input  clk,input  rst_n,input  tx,output reg[7:0] led
);wire [7:0] dout;wire dout_vld;uart_rx uart_rx_inst (.clk (clk),.rst_n (rst_n),.din    (tx),.dout(dout),.dout_vld    (dout_vld));always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n) beginled <= 8'b0;endelse begincase (dout)8'h41 : led <= 8'b0000_0001;8'h42 : led <= 8'b0000_0010;default: led <= led;endcaseendend    
endmodule

六、quartus引脚绑定

可以选择其它灯，看数据手册
在这里插入图片描述

七、运行效果

在这里插入图片描述

总结

实验概述
在本次实验中，我们成功地通过树莓派与FPGA之间的串行通讯，实现了对FPGA开发板上LED灯的控制。该实验展示了树莓派作为控制端与FPGA结合的潜力，以及数字逻辑设计在工程实践中的应用价值。

技术实现

串口通讯：实验利用树莓派的串行通讯接口与FPGA进行数据传输，这是实现远程控制的核心环节。
信号解码：FPGA上的逻辑电路能够准确地解析来自树莓派的信号，确保了控制指令的准确执行。
硬件配置：实验中对树莓派与FPGA之间的物理连接进行了严格的检查，确保了串口线路和电源供应的稳定性。
问题与解决策略
通讯稳定性问题：面对串口通讯过程中出现的不稳定现象，我们通过调整通讯波特率和仔细检查串口线路来确保通讯的可靠性。
逻辑设计缺陷：在FPGA的逻辑设计阶段，我们遇到了信号解析的误差，通过细致的复查和调试，最终修正了逻辑电路。

实验反思
本次实验不仅加深了我们对树莓派和FPGA硬件特性的理解，还提升了我们在通信技术和数字逻辑设计方面的实践技能。在解决实验中遇到的挑战时，我们的问题分析与解决能力得到了显著提升，同时对微控制器编程和系统集成有了更深入的认识。

通过这次学习经历，我们认识到了理论与实践相结合的重要性，并体会到了在解决复杂工程问题时，耐心和细致的必要性。