树莓派点亮FPGA小灯
引言：
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。
希望你在本次学习过后，能够有一定的收获！！！
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文章目录
- 树莓派点亮FPGA小灯
- 一、任务介绍
- 二、树莓派介绍
- 一、树莓派
- 二、树莓派图片
- 三、实验流程
- 1、树莓派设置
- 2、FPGA相关
- 四、实验效果
- 五、实验总结
一、任务介绍
- 了解树莓派的相关内容
- 实现树莓派与FPGA开发板之间的通信
- 使用树莓派点亮FPGA开发板上面的小灯
二、树莓派介绍
一、树莓派
a.简介：树莓派（Raspbreey Pi，RPi），慈善组织“Raspberry Pi 基金会”开发，为学生计算机编程教育而设计，基于Linux系统的单片机系统。随Windows 10 IoT的发布，有可以用运行Windows的树莓派。只有信用卡大小，却有视频、音频等功能。
c. 硬件：是一款基于ARM的微型电脑主板
内存硬盘：SD/MicroSD卡
四类接口：有1/2/4个USB接口;
一个10/100 以太网接口（A型没有网口）;
视频模拟信号的电视输出接口；
和HDMI高清视频输出接口。
可连接键盘、鼠标和网线.，具备所有PC的基本功能只需接通电视机和键盘，就能执行如电子表格、文字处理、玩游戏、播放高清视频等诸多功能。Raspberry Pi B款只提供电脑板，无内存、电源、键盘、机箱或连线。
d.语言：树莓派基金会提供了基于ARM的Debian和Arch Linux的发行版供大众下载。还计划提供支持Python作为主要编程语言，支持Java、BBC BASIC (通过 RISC OS 映像或者Linux的"Brandy Basic"克隆)、C 和Perl等编程语言。
e. 发展以及应用（亚博官网摘）
二、树莓派图片
a.板子图片（亚博官网摘）
b.树莓派3b与树莓派3b+参数对比：
b.树莓派3b+引脚图：
三、实验流程
1、树莓派设置
- 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
- 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。
- 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
接着进入python3中，输入如下代码，这里一定一定要注意，不要安装serial库！！！因为这个是安装好的，再安装会提示serial中无Serial！
树莓派发送数据代码
import serial
import time
ser = serial.Serial('/dev/ttyAMA0',115200)
while ser.isOpen() :
ser.write(b"A") # 点亮第一个小灯
time.sleep(1)
ser.write(b"B") # 点亮第二个小灯
time.sleep(1)
2、FPGA相关
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) begin
if(!rst_n) begin
led <= 8'b0;
end
else if (dout_vld) begin
if (dout == 8'h41) begin
led <= 8'b0000_0001;
end
else if (dout == 8'h42) begin
led <= 8'b0000_0010;
end
else if (dout == 8'h43) begin
led <= 8'b0000_0100;
end
else if (dout == 8'h44) begin
led <= 8'b0000_1000;
end
else if (dout == 8'h45) begin
led <= 8'b0001_0000;
end
else if (dout == 8'h46) begin
led <= 8'b0010_0000;
end
else if (dout == 8'h47) begin
led <= 8'b0100_0000;
end
else begin
led <= led;
end
end
end
endmodule
uart_rx.v
module uart_rx (
input clk,
input rst_n,
input din, // pc 发送给 FPGA 的数据
output reg[7:0] dout, // 发送给 tx 让他串行的传输出去
output reg dout_vld // 当这一次 8bit 接收完成 再传递给tx
);
parameter BAUD = 5207; // 使用波特率 115200 发送1 bit 需要的时钟周期
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; // 计数器计数标志 下降沿到来之后开始计数 传输数据完成停止计数
reg [8:0] data; // 寄存 数据
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin din_r0<= 1; din_r1<=1; end
else begin din_r0<= din; din_r1<= din_r0; end
end
assign nedge = din_r1 && !din_r0; // 下降沿
// 计数一个bit发送需要的时钟周期
reg [20:0] cnt_bsp;
wire add_cnt_bsp;
wire end_cnt_bsp;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) cnt_bsp <= 0;
else if (add_cnt_bsp)
if (end_cnt_bsp) cnt_bsp <= 0;
else cnt_bsp <= cnt_bsp + 1;
else cnt_bsp <= cnt_bsp;
end
assign add_cnt_bsp = flag;
assign end_cnt_bsp = add_cnt_bsp && (cnt_bsp == BAUD - 1);
// 计数当前到了哪一 bit
reg [3:0] cnt_bit;
wire add_cnt_bit;
wire end_cnt_bit;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if (!rst_n) cnt_bit <= 0;
else if (add_cnt_bit)
if (end_cnt_bit) cnt_bit <= 0;
else cnt_bit <= cnt_bit + 1;
else cnt_bit <= cnt_bit;
end
assign add_cnt_bit = end_cnt_bsp;
assign end_cnt_bit = add_cnt_bit && (cnt_bit == 8); // 起始位 1bit 数据位 8bit
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) flag <= 0;
else if(nedge) flag <= 1;
else if(end_cnt_bit) flag <= 0;
else flag <= flag;
end
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) data <=0;
else if(cnt_bsp == BAUD>>1 && flag) data[cnt_bit] <= din; // 串并转换 LSB
else data <= data;
end
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
dout <= 8'b0;
dout_vld <= 0;
end
else if(end_cnt_bit)
begin
dout <= data[8:1]; // 第0位起始位 被舍去
dout_vld <= 1;
end
else begin
dout <= dout;
dout_vld <= 0;
end
end
endmodule
FPGA引脚图
四、实验效果
五、实验总结
实验成果
本次实验成功实现了通过树莓派与FPGA之间的串口通信控制FPGA开发板上的小灯。实验中，树莓派作为上位机，通过发送特定的字符信号，点亮了FPGA板上的LED灯。这验证了树莓派与FPGA之间的通信能力，并且展示了数字逻辑设计在实际应用中的实用性和灵活性。
技术要点
- 串口通信：实验中使用了树莓派的串口功能来与FPGA进行数据交换，这是实现控制的关键技术点。
- 信号解析：FPGA端的逻辑设计能够正确解析树莓派发送的信号，这是实现特定功能的基础。
- 硬件连接：确保树莓派与FPGA之间的物理连接正确无误，包括串口线和电源连接。
遇到的问题及解决方案
- 串口通信不稳定：在实验过程中，遇到了串口通信不稳定的问题，通过调整波特率和检查串口线路解决了这一问题。
- FPGA逻辑设计错误：在FPGA逻辑设计中出现了解析信号错误的问题，通过反复检查和调试逻辑电路得到了解决。
实验心得
通过本次实验，我们不仅学习了树莓派和FPGA的基本知识，还掌握了它们之间的通信方法。实验过程中遇到的问题和挑战提高了我们解决实际问题的能力。此外，实验也加深了我们对数字逻辑设计和微控制器编程的理解。
最后感谢大佬友情链接：
- 树莓派3B+串口通信（超详细简单版）_树莓派3b串口通信-CSDN博客
- 树莓派3B+ 引脚图说明_树莓派3b+引脚图-CSDN博客
- 树莓派介绍&树莓派3代B+型开发板_树莓派开发板-CSDN博客
