Xilinx FPGA:vivado用串口控制数码管

news2024/12/25 23:57:56

一、项目要求

      要求输入从千位到个位数字给4位数码管,要求分别输入的数字都能显示

二、关键信号流向

三、程序设计

顶层:

`timescale 1ns / 1ps
module TOP(
    input                sys_clk   ,
    input                rst_n     ,
    input                rx_data  ,
    output wire[3:0]    DIG       ,
    output wire[7:0]    SEG       
    );
    
    /接收端模块例化
    wire [7:0]        uart_data   ;
    wire              rx_done     ;
    uart_rx  uart_rx_u1(
                     .   sys_clk   (sys_clk  )    ,
                     .   rst_n     (rst_n    )    ,
                     .   rx_data   (rx_data  )    ,
                     .   uart_data (uart_data)    ,
                     .   rx_done   (rx_done  )

    );
    
    //translate模块例化
    wire[7:0]          trans_data   ;
    translate translate_u1(
                      .  sys_clk    (sys_clk   )   ,
                      .  rst_n      (rst_n     )   ,
                      .  uart_data  (uart_data )   ,
                      .  rx_done    (rx_done   )   ,
                      .  trans_data (trans_data)

        );
    
    //conversion模块例化
      wire[15:0]        number   ;
    conversion  conversion_u1(
                      .     sys_clk  (  sys_clk )  ,
                      .     rst_n    (  rst_n   )  ,
                      .     rx_done  (  rx_done )  ,
                      .   trans_data (trans_data)  ,   0 1 2 3 4
                      .     number   (  number  )

    );

  //解码器模块例化
     wire  [3:0]      num   ;
     wire  [7:0]      seg   ;
  decoder  decoder_u1(
                      .  num (num)  ,
                      .  seg (seg)
      );

  //数码管模块例化
  SEG_state  SEG_state_u1(
                        .    sys_clk ( sys_clk)  ,
                        .    rst_n   ( rst_n  )  ,
                        .   number   (number  ) ,//0~9999
                        .   seg      (seg     ) ,
                        .   DIG      (DIG     ) ,
                        .   SEG      (SEG     ) ,
                        .   num      (num     )

    );
  




endmodule

接收端模块:

`timescale 1ns / 1ps
module uart_rx(
     input                 sys_clk  ,
     input                 rst_n    ,
     input                 rx_data  ,
     output    reg[7:0]    uart_data,
     output    reg         rx_done

    );
    parameter         SYSCLK =   50_000_000  ;
    parameter         Baud   =   115200      ;
    parameter         COUNT  =   SYSCLK/Baud ;//434   传输1比特所需要的时钟周期
    parameter         MID    =   COUNT/2     ;
    
    reg       rx_reg1   ;
    reg       rx_reg2   ;
    
    wire           start_flag ;
    reg            rx_flag    ;
    reg  [3:0]     cnt_bit    ;//0-9
    reg  [9:0]     cnt        ;//0-434
    reg  [7:0]     data_reg   ;
    
    always@(posedge sys_clk)
          if(!rst_n)begin
             rx_reg1 <= 1 ;
             rx_reg2 <= 2 ;
          end
          else
              begin
               rx_reg1 <= rx_data  ;
               rx_reg2 <= rx_reg1  ;
              end
     assign start_flag = ~rx_reg1 & rx_reg2 ;
    
    rx_flag
    always@(posedge sys_clk)
          if(!rst_n)
             rx_flag <= 0 ;
          else if (start_flag)
             rx_flag <= 1 ;
          else if ( cnt_bit == 9 && cnt == MID -1)
             rx_flag <= 0 ;
          else
             rx_flag <= rx_flag ;
    
    /cnt  434
     always@(posedge sys_clk)
           if(!rst_n)
              cnt <= 0 ;
           else if ( rx_flag == 1)begin
                if ( cnt == COUNT -1 )
                     cnt <= 0 ;
                else
                     cnt <= cnt +1 ;
                end
            else
              cnt <= 0 ;
    
    
    计数器
    always@(posedge sys_clk)
          if(!rst_n)
             cnt_bit <= 0 ;
          else if ( rx_flag)begin
               if ( cnt == COUNT -1 )begin
                    if( cnt_bit == 9 )
                        cnt_bit <= 0 ;
                    else
                        cnt_bit <= cnt_bit +1;
                    end
               else
               cnt_bit <= cnt_bit ;
               end
           else
           cnt_bit <= 0 ; 
   
   /中间寄存器的赋值
     always@(posedge sys_clk)
           if(!rst_n)
              data_reg <= 0 ;
           else if ( rx_flag )begin
                if ( cnt == MID -1 && cnt_bit>0 && cnt_bit <9 )
                 data_reg[cnt_bit -1] <= rx_data  ;
                else
                 data_reg <= data_reg  ;
           end
           else
           data_reg <= 0 ; 
           
  给uart_data赋值
     always@(posedge sys_clk )
           if(!rst_n)
              uart_data <= 0 ;
           else if ( rx_flag )begin
                if ( cnt_bit == 9 && cnt == MID/4 -1)
                    uart_data <= data_reg  ;
                else
                    uart_data <= uart_data  ;
           end
           else
            uart_data <= uart_data  ;   
            
    rx_done
      always@(posedge sys_clk )
            if(!rst_n)
               rx_done <= 0 ;
            else if (rx_flag)begin
                 if (cnt_bit == 9 && cnt == MID/2 -1)
                     rx_done <= 1;
                 else
                     rx_done <= 0 ;            
            end    
            else
              rx_done <= 0 ;
    
endmodule

翻译模块:

这里注释掉了组合逻辑的写法,因为根据仿真,组合逻辑引发了时序问题

`timescale 1ns / 1ps
module translate(
      input              sys_clk   ,
      input              rst_n     ,
      input   [7:0]      uart_data ,
      input              rx_done   ,
      output  reg[7:0]   trans_data

    );
//    always@(*)
//          if(!rst_n)
//             trans_data <= 0 ;
//          else if (rx_done)
//               case(uart_data)
//               8'h30 : trans_data <= 8'd0  ; 
//               8'h31 : trans_data <= 8'd1  ; 
//               8'h32 : trans_data <= 8'd2  ; 
//               8'h33 : trans_data <= 8'd3  ; 
//               8'h34 : trans_data <= 8'd4  ; 
//               default:;
//               endcase
//          else
//             trans_data <= trans_data  ;
 
     always@(posedge sys_clk)
          if(!rst_n)
             trans_data <= 0 ;
          else if (rx_done)
               case(uart_data)
               8'h30 : trans_data <= 8'd0  ; 
               8'h31 : trans_data <= 8'd1  ; 
               8'h32 : trans_data <= 8'd2  ; 
               8'h33 : trans_data <= 8'd3  ; 
               8'h34 : trans_data <= 8'd4  ; 
               default:;
               endcase
          else
             trans_data <= trans_data  ;
   
endmodule

转换模块:

`timescale 1ns / 1ps
/*
发送4: 0111  显示4
发送3: 1011  显示3
发送2: 1101  显示2
发送1: 1110  显示1
发送0: 0000  显示0
*/
module conversion(
      input                sys_clk    ,
      input                rst_n      ,
      input                rx_done   ,
      input  wire[7:0]   trans_data  ,   0 1 2 3 4
      output wire[15:0]     number 

    );
    /数据处理
    reg[14:0]            trans_qian   ;     // 1000-9999
    reg[10:0]            trans_bai    ;    //100-999 
    reg[7:0]            trans_shi    ;   // 10-99
    reg[4:0]            trans_ge     ;  //0-9
    

    
    
    
    ///状态机///
    localparam               IDLE = 4'b0000 ;
    localparam               GE   = 4'b0001 ;
    localparam               SHI  = 4'b0010 ;
    localparam               BAI  = 4'b0100 ;
    localparam               QIAN = 4'b1000 ;

    
    reg[4:0]        cur_state   ;
    reg[4:0]        next_state  ;
    //state1
    always@(posedge sys_clk)
          if(!rst_n)
             cur_state <= IDLE  ;
          else 
             cur_state <= next_state  ;
    
    //state2
    always@(*)
          case(cur_state)
//          IDLE : next_state = QIAN  ;
          IDLE   :
                  begin
                      if (rx_done)
                      next_state = QIAN  ;
                      else
                      next_state = cur_state ;
                  end
          QIAN   :
                 begin
                      if(rx_done)
                         next_state = BAI  ;
                      else
                         next_state = cur_state  ;
                 end
          BAI  :
                 begin
                      if(rx_done)
                         next_state = SHI  ;
                      else
                         next_state = cur_state  ;
                 end
          SHI  :
                 begin
                      if(rx_done)
                         next_state = GE  ;
                      else
                         next_state = cur_state  ;
                 end
          GE :
                 begin
                      if(rx_done)
                         next_state = IDLE  ;
                      else
                         next_state = cur_state  ;
                 end
          default:;
          endcase
          
    state3
    always@(posedge sys_clk)
          if(!rst_n)
                     begin
                    trans_qian <= 0 ;
                    trans_bai  <= 0 ;
                    trans_shi  <= 0 ;
                    trans_ge   <= 0 ;                   
                    end
          else
             case(cur_state)
             IDLE : 
                    begin
                    trans_qian <= 0 ;
                    trans_bai  <= 0 ;
                    trans_shi  <= 0 ;
                    trans_ge   <= 0 ;                   
                    end
             QIAN : trans_qian <= trans_data * 1000 ;
             BAI  : trans_bai  <= trans_data * 100  ;
             SHI  : trans_shi  <= trans_data * 10   ;
             GE   : trans_ge   <= trans_data * 1    ;
             default:;
             endcase
    assign  number = trans_qian + trans_bai + trans_shi + trans_ge ;          

endmodule

译码模块:

`timescale 1ns / 1ps
module decoder(
    input      [3:0]   num   ,
    output  reg[7:0]   seg
    );
    always@(*)
    case(num)
        4'd0: seg = 8'h3f;
        4'd1: seg = 8'h06;
        4'd2: seg = 8'h5b;
        4'd3: seg = 8'h4f;
        4'd4: seg = 8'h66;
        4'd5: seg = 8'h6d;
        4'd6: seg = 8'h7d;
        4'd7: seg = 8'h07;
        4'd8: seg = 8'h7f;
        4'd9: seg = 8'h6f;
        default:;
     endcase
endmodule
   

数码管模块: 

`timescale 1ns / 1ps
module SEG_state(
    input                sys_clk   ,
    input                rst_n     ,
    input  wire[15:0]   number    ,//0~9999
    input  wire[7:0]    seg       ,
    output wire[3:0]    DIG       ,
    output wire[7:0]    SEG       ,
    output reg[3:0]     num     

    );
    parameter         MODE = 0 ;  ///共阴极
    
    ///数据处理
    
//    reg[3:0]         num     ;
//    reg[7:0]         seg     ;
    reg[3:0]         dig     ;
    wire[3:0]      num_ge     ;
    wire[3:0]      num_shi    ;
    wire[3:0]      num_bai    ;
    wire[3:0]      num_qian   ;
    
    assign          num_ge   = number%10        ;
    assign          num_shi  = number/10%10     ;
    assign          num_bai  = number/100%10    ;
    assign          num_qian = number/1000%10   ;
    
    状态机
//    parameter      TIME_1ms = 16'd50_000   ;   
    parameter      TIME_1ms = 16'd5  ;    //测试用
    
    reg[3:0]        cur_state     ;
    reg[3:0]        next_state    ;
    reg[20:0]       cnt_1ms       ;
    
    localparam       IDLE = 4'b0000 ;
    localparam       GE   = 4'b0001 ;
    localparam       SHI  = 4'b0010 ;
    localparam       BAI  = 4'b0100 ;
    localparam       QIAN = 4'b1000 ;
    
    
    always@(posedge sys_clk)
          if(!rst_n)
          cur_state <= IDLE  ;
          else
          cur_state <= next_state  ;
          
    always@(*)
          case(cur_state)
          IDLE :next_state = GE ;
          GE   :
                begin
                    if( cnt_1ms == TIME_1ms -1 )
                       next_state = SHI  ;
                    else
                       next_state = cur_state ;
                end
          SHI  :
                begin
                    if( cnt_1ms == TIME_1ms -1 )
                       next_state = BAI  ;
                    else
                       next_state = cur_state ;
                end
          BAI  :
                begin
                    if( cnt_1ms == TIME_1ms -1 )
                       next_state = QIAN  ;
                    else
                       next_state = cur_state ;
                end
          QIAN :
                begin
                    if( cnt_1ms == TIME_1ms -1 )
                       next_state = GE  ;
                    else
                       next_state = cur_state ;
                end
            default:;
          endcase
   
   always@(posedge sys_clk )
         if(!rst_n)begin
            dig <= 0     ;
            cnt_1ms <= 0 ;
            num <= 0     ;
         end
         else
         case(cur_state)
         IDLE : 
               begin
                    dig <= 0 ; 
                    cnt_1ms <= 0 ;
                    num <= 0;
               end
         GE   : 
               begin
               dig <= 4'b1110  ;              
               num <= num_ge   ;
               if( cnt_1ms == TIME_1ms -1 )
                   cnt_1ms <= 0 ;
               else
                   cnt_1ms <= cnt_1ms +1 ;
               end
         SHI  :
               begin
               dig <= 4'b1101  ;              
               num <= num_shi   ;
               if( cnt_1ms == TIME_1ms -1 )
                   cnt_1ms <= 0 ;
               else
                   cnt_1ms <= cnt_1ms +1 ;
               end 
         BAI  :
               begin
               dig <= 4'b1011  ;              
               num <= num_bai   ;
               if( cnt_1ms == TIME_1ms -1 )
                   cnt_1ms <= 0 ;
               else
                   cnt_1ms <= cnt_1ms +1 ;
               end 
         QIAN : 
               begin
               dig <= 4'b0111  ;              
               num <= num_qian   ;
               if( cnt_1ms == TIME_1ms -1 )
                   cnt_1ms <= 0 ;
               else
                   cnt_1ms <= cnt_1ms +1 ;
               end
         default:;
         endcase
    
    assign         DIG = (MODE == 0 ) ? dig : ~dig ;
    assign         SEG = (MODE == 0 ) ? seg : ~seg ;
               
endmodule

四、仿真文件

`timescale 1ns / 1ps
module test_bench(  );

    reg                sys_clk   ;
    reg                rst_n     ;
    reg                rx_data   ;
    wire[3:0]           DIG      ;
    wire[7:0]           SEG      ;
    
    parameter         SYSCLK = 50_000_000  ;  
    parameter         Baud   = 115200      ;
    parameter         COUNT  = SYSCLK/Baud ;
    parameter         MID    = COUNT/2     ;
    
    initial
           begin
                 sys_clk  = 0 ;
                 rst_n    = 0 ;
                 #10
                 rst_n    = 1 ;
           end
    always #1 sys_clk = ~sys_clk  ;
    
    initial
           begin
                uart_out (8'h31)  ;
                uart_out (8'h32)  ;
                uart_out (8'h33)  ;
                uart_out (8'h34)  ;
            end
            
    任务函数
    task              uart_out  ;
    input    [7:0]     DATA     ;
         begin
              rx_data = 1   ;空闲位初始
              #20
              rx_data = 0   ;起始位
        
               #(COUNT*2)  rx_data = DATA[0] ;///数据位第一位
               #(COUNT*2)  rx_data = DATA[1] ;///数据位第二位
               #(COUNT*2)  rx_data = DATA[2] ;
               #(COUNT*2)  rx_data = DATA[3] ;
               #(COUNT*2)  rx_data = DATA[4] ;
               #(COUNT*2)  rx_data = DATA[5] ;
               #(COUNT*2)  rx_data = DATA[6] ;
               #(COUNT*2)  rx_data = DATA[7] ;
               #(COUNT*2)  rx_data = 1       ;
               #(COUNT*2)                    ;//停止位也需要时间
               #200;//0_000                     ;
           end                  //2ms数据发送的时间至少要大于点阵屏切换数据的时间(1ms)
    endtask

TOP TOP_u1(
             .     sys_clk  (sys_clk)  ,
             .     rst_n    (rst_n  )  ,
             .     rx_data  (rx_data)  ,
             .     DIG      (DIG    )  ,
             .     SEG      (SEG    ) 
    );
endmodule

仿真结果:

五、绑定管脚


set_property PACKAGE_PIN P20 [get_ports {DIG[0]}]
set_property PACKAGE_PIN N18 [get_ports {DIG[1]}]
set_property PACKAGE_PIN P18 [get_ports {DIG[2]}]
set_property PACKAGE_PIN W16 [get_ports {DIG[3]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {DIG[3]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {DIG[2]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {DIG[1]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {DIG[0]}]
set_property PACKAGE_PIN R18 [get_ports {SEG[0]}]
set_property PACKAGE_PIN N20 [get_ports {SEG[1]}]
set_property PACKAGE_PIN U20 [get_ports {SEG[2]}]
set_property PACKAGE_PIN W20 [get_ports {SEG[3]}]
set_property PACKAGE_PIN R17 [get_ports {SEG[4]}]
set_property PACKAGE_PIN P19 [get_ports {SEG[5]}]
set_property PACKAGE_PIN T20 [get_ports {SEG[6]}]
set_property PACKAGE_PIN V20 [get_ports {SEG[7]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {SEG[7]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {SEG[6]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {SEG[5]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {SEG[4]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {SEG[3]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {SEG[2]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {SEG[1]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {SEG[0]}]

set_property PACKAGE_PIN P15 [get_ports rst_n]
set_property PACKAGE_PIN K17 [get_ports sys_clk]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports rst_n]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports sys_clk]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports rx_data]
set_property PACKAGE_PIN W18 [get_ports rx_data]

六、实验结果

0623

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