5-基于C5G 开发板的FPGA 串口通信设计 （FT232R， Altera UART IP和Nios II系统串口收发命令）

一、工程设计概述

许多应用都需要通过主机上的通用接口和主机进行通信，传统的 RS232 必须通过 RS232接口连接，但如今绝大多数的个人电脑都不再有 RS232 接口，这对于某些工程开发十分的不方便。因此，C5G、DE1-SOC H版本、DE23-Lite、C5P/OSK/TSP等板子设计有UART 转 USB 电路的接口，使得用户可以直接通过 USB 接口与主机进行串口通信。

本文将为用户展示如何使用主机上的 PUTTY terminal 通过 USB 接口向 FPGA 发送和接收指令，控制 FPGA 开发板上的 LED。

在 FPGA 端是通过UART（RS-232 Serial Port） IP来进行数据收发。案例功能框图如下：

 UART 通信相关知识请参考 1-串行通信基础知识。

本案例要求串口通信的起始位1位，数据位为8位， 停止位1位，无校验位，波特率115200bps。

 接下来将在UART（RS-232 Serial Port） IP 中进行串口相关设置。

二、UART控制器：UART（RS-232 Serial Port）Intel FPGA IP简介

Quartus Prime软件中集成了UART控制器：UART（RS-232 Serial Port）Intel FPGA IP。

 UART（RS-232 Serial Port）Intel FPGA IP用于在Intel FPGA上的嵌入式系统与外部设备之间进行串行字符流通信。该IP实现了RS-232协议，并提供可调节的波特率、校验位、停止位和数据位。该IP提供Avalon Memory-Mapped从设备接口，允许Avalon-MM主设备（如Nios II和Nios V处理器）通过读或写控制寄存器和数据寄存器来与UART IP核进行通信。

该IP设置界面：

更多Uart IP相关描述请参考：Chapter 9 UART Core from   https://www.intel.com/content/www/us/en/docs/programmable/683130/25-3/uart-core.html

三、C5G 串口硬件

C5G开发板板载串口IC是 FT232R， 该IC的PC端驱动：https://ftdichip.com/drivers/vcp-drivers/， 关于驱动的安装步骤可以参考：3-基于FPGA开发板OSK/TSP/C5P的串口通信设计 （CP2102N）

 该IC与FPGA 之间硬件连接简化图如下：

四、硬件工程设计——Quartus 工程设计

Quartus 版本： Quartus Prime 17.1 Lite。

 在Quartus中使用Platform Designer（以前称为QSYS）创建包含Nios II处理器和RS-232 Serial Port IP的系统，以下是Quartus工程中Qsys系统的框架（注意Nios II IP选择Nios II/e，如果选择Nios II/f会要求有Quartus license才行）：

 Quartus工程的top文件如下：

module UART_USB_LED(///////// CLOCK /////////input              CLOCK_50_B3B,///////// LED /////////output   [ 3: 0]   LED, //LED is High-Active///////// Uart to USB /////////output             UART_TX,input              UART_RX);
//=======================================================
//  Structural coding
//=======================================================
uart_test u0 (.clk_clk                                (CLOCK_50_B3B),                                //                             clk.clk.reset_reset_n                          (1'b1),                          //                           reset.reset_n.led_external_connection_export         (LED),         //         led_external_connection.export.uart_rxd                               (UART_RX),                               //                            uart.rxd.uart_txd                               (UART_TX)                                //                                .txd);
endmodule

​

FPGA引脚分配如下：

 五、软件工程设计——Nios II 程序设计

在嵌入式系统开发中，硬件平台的多样性给软件开发带来了巨大挑战。Intel（Altera）的Nios II处理器通过其硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer, HAL） 有效解决了这一问题，为开发者提供了统一的编程接口，极大地简化了嵌入式软件开发流程。关于HAL更多说明请参考：Nios II 处理器的硬件抽象层（HAL）

在Nios II IDE中创建software工程，编写代码使用fprintf和getc等标准C库函数来访问UART（这种访问方式依赖于HAL系统库，其底层由HAL设备驱动完成寄存器读写）。

这段代码是一个基于Nios II处理器的嵌入式程序，通过UART与计算机通信，控制LED灯。

#include ".\terasic_lib\terasic_includes.h"
#include ".\terasic_lib\LED.h"
#include ".\terasic_lib\debug.h"
int main(void)
{FILE* fp;char  promot;LED_AllOn();usleep(500*1000);LED_AllOff();printf("---------C5P UART TO  USB  demo --------\r\n");printf("before you send the command\r\n");printf("you must ensure uart to usb driver has been installed on you computer\r\n");printf("and ensure a usb cable is connected between c5p and your computer\r\n");printf("please execute putty and setup parameter correctly\r\n");printf("ensure that you open the correct common port\r\n");printf("the baud rate should be 115200\r\n");printf("the data bits should be 8\r\n");printf("no verify bit and 1 stop bit\r\n");printf("you can send character to control the led state\r\n");printf("send 0-3 to toggle the related led \r\n");printf("send a or A to turn on all leds and n or N to turn off all  \r\n");fp=fopen("/dev/uart","r++");if(fp == NULL){// UART设备打开失败处理printf("ERROR: Cannot open UART device /dev/uart\r\n");return -1;}else if(fp){fprintf(fp,"you can send character to control the led state\r\n");fprintf(fp,"send 0-3 to toggle the related led\r\n");fprintf(fp,"send a or A to turn on all leds and n or N to turn off all\r\n");}while(1){promot=getc(fp);if(promot>='0'&&promot<='3'){printf("%c sent\r\n",promot);LED_toggle_count((promot-'0'));fprintf(fp,"LED %c state toggle\r\n",promot);}else if(promot=='n'||promot=='N'){LED_AllOff( );fprintf(fp,"All LED off\r\n");printf("%c sent \r\n",promot);}else if(promot=='a'||promot=='A'){LED_AllOn( );fprintf(fp," All LED on\r\n");printf("%c sent \r\n",promot);}else{fprintf(fp,"you send wrong command\r\n");printf("you send wrong command\r\n");}}fclose(fp);return 0;
}

这段代码的流程图如下：

 关于LED_AllOff、LED_AllOn和LED_toggle_count函数，则是通过调用HAL里面提供的PIO宏定义 IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA直接读写寄存器：

#include "terasic_includes.h"
#include "LED.h"
void LED_AllOff(void){IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LED_BASE, 0x0);  //0:unlight, 1:light
}
void LED_toggle_count(alt_u8 led_count)
{alt_32 bit_mask=0x01<<led_count; // check 0~3IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LED_BASE, bit_mask);// light the related led
}
void LED_AllOn(void)
{IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LED_BASE, 0xF);  //0:unlight, 1:light
}

六、测试步骤

1. 连接串口J11 到PC；

2. 用USB Blaster线缆连接开发板J10和PC；

3. 连接12V电源到开发板，开启电源开关；

4. 打开Quartus工程，点击Start Compilation生成sof文件，然后点击Programmer 将sof配置文件下载到开发板：

5. 打开Nios II 工程，右击UART_USB_LED_bsp工程选择Nios II——generate BSP，然后右击UART_USB_LED工程选择Build Project 产生新的elf文件后，继续右击UART_USB_LED工程选择Run As——Nios II Hardware：

 如若遇到以下报错时，请将下图所示的两个复选框选中，再点击Refresh Connections ——Apply——Run就可以了。

Connected system ID hash not found on target at expected base address.

 Connected system timestamp not found on target at expected base address.

 6. 打开PuTTY串口终端，按照如下截图配置串口：

 7. 然后点击Session，点选Serial，然后点击Open：

8. 在PuTTY端下发0、1、2、3、4、a、n等命令看串口和Nios II 窗口各打印什么信息：

 也可以直接双击运行UART_USB_LED\demo_batch\test.bat文件将sof和elf下载到FPGA 开发板：

然后打开PuTTY下发命令，得到结果一样：

 

七、源码免费下载

通过网盘分享的文件：weixin_C5G_UART_USB_LED.rar
链接: https://pan.baidu.com/s/12c6BpsdWtMI5PoHm63MJEA 提取码: tera

往期阅读：

1-串行通信基础知识

2-基于FPGA开发板DE23-Lite的串口通信设计 （FT2232H）

3-基于FPGA开发板OSK/TSP/C5P的串口通信设计 （CP2102N）

4-基于FPGA开发板DE10-Standard和T-Core的串口通信设计 （CH340）

Nios II 处理器的硬件抽象层（HAL）中文解说