• ADC测试杂谈二：matlab操作串口向FPGA发信

    前言

     何以解忧，唯有串口。

     相关文章：

     ADC测试杂谈一：配置基于matlab+quartus的测试环境

     之前提到，FPGA的JTAG相比MCU的UART，读取数据的速度更快。但是matlab似乎只能通过JTAG收信，而不能通过JTAG向FPGA发信。为了便于通过FPGA向芯片写一些配置信息，我们采用UART串口来向FPGA发送信息。

    一、串口的Verilog简易实现

     UART协议的基本原理是接收端通过一个16倍速的高频时钟对发送端的数据进行过采样，当检测到一个起始码后，就开始接收8位数据。Verilog代码如下：

    //Author: Jiao
//Date: 2017
//clk is 50e6 clk50.
module newart(
	input dat,
	input clk,
	output ex0,
	output reg [7:0]bufout);
	
	reg ck;
	reg [7:0]buftmp;
	reg [7:0]count;
	reg enout;
	reg enout2;
	reg enout3;
	wire ck1;
	wire rst0;
	reg rst1;
	reg [8:0]count1;//325 freq divide;
	reg [7:0]count2;//180 times,make the ck high;
	wire dat0;
	
	assign rst0=enout2;
	
	always@(posedge clk)
	begin
		count1<=count1+1;
		count2<=count2+1;
		if(count1==0)begin
			ck<=0;
			count2<=0;
			end
		else begin
			if(count1==324) count1<=0;
			if(count2==180) begin ck<=1;count2<=0;end
			end
	end
	
	always@(negedge rst0 or negedge dat0)//it seems that it is a edge detect,however it is a level driven.
	begin
		if(~rst0)enout<=0;
		else enout<=1;
	end
	
	assign ck1=ck&enout;
	assign dat0=enout|dat;
	
	always@(posedge ck1 or negedge rst1)
	begin
		if(~rst1)begin enout2<=1;count<=0;end
		else begin
				count<=count+1;
				case(count)
				24:buftmp[0]<=dat;
				40:buftmp[1]<=dat;
				56:buftmp[2]<=dat;
				72:buftmp[3]<=dat;
				88:buftmp[4]<=dat;
				104:buftmp[5]<=dat;
				120:buftmp[6]<=dat;
				136:buftmp[7]<=dat;//the above get 8 bit;
				152:begin enout2<=0;bufout<=buftmp;end
				endcase
			end
	end
	
	always@(posedge ck)
	begin
		enout3<=enout2;
		rst1<=enout3;
	end
	
	assign ex0=~rst1;
	
	endmodule

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     这里主要的输入端口是clk（全局的50MHz时钟）和dat（串口输入引脚），对应的波特率为9600，这也是matlab默认的通信速度。

     由于在ADC测试的实际场景下，PC端的上位机并不需要通过串口从FPGA读取数据，所以没有定义上行端口。

    二、matlab对串口的操作

     matlab对串口的操作比较简单，假设当前可用串口为COM8，则代码如下：

        serial_port=serial('COM8');
    fopen(serial_port);
	fwrite(serial_port,int8(43));
	fclose(serial_port);
	delete(serial_port);

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    该代码会打开COM8，发送字符’+'(53的ASCII字符是+）后，关闭对串口的占用。

    三、基于UART的寄存器

     UART最多能存8bit数据，假如我需要向FPGA发送更多数据呢？

     以ti的ADS7886测试为例，这是1个1MHz、12位、串行接口的ADC，我可能需要配置ADC的工作速度（1MHz/500KHz/200KHz/100KHz），可能需要读取ADC数据的时钟速度（20MHz/10MHz/5MHz/2MHz/1MHz）等等，所以，需要通过UART串口向FPGA发送更多位的信息。

     借鉴SPI协议中的地址，(参考verilog实现SPI从机 )，可以在UART接口的基础上封装一个类似的协议：规定发送字符1为地址，再发送字符2为该地址的校验码，发送字符3为数据，发送字符4为数据的校验码，发送字符5为中止码。通过这种方式，理论上可以向FPGA传送256*8bit数据。

     Verilog代码如下：

    //Author: Jiao
//Date: 2020.
//外部连发5次uart，前四次分别发送地址、地址的校验、数据、数据的校验，第五次发送的空格用以产生一个采样时钟
`define reglength 42
module uart2reg(
	clk50,rst,uart_in,
	data0,data1,data2,data3,data4,data5,data6,data7,data8,data9,data10,
							data11,data12,data13,data14,data15,data16,data17,data18,data19,
							data20,data21,data22,data23,data24,data25,data26,data27,data28,
							data29,data30,data31,data32,data33,data34,data35,data36,data37,
							data38,data39,data40,data41,data42);
input clk50,rst,uart_in;
output wire [7:0]data0,data1,data2,data3,data4,data5,data6,data7,data8,data9,data10,
							data11,data12,data13,data14,data15,data16,data17,data18,data19,
							data20,data21,data22,data23,data24,data25,data26,data27,data28,
							data29,data30,data31,data32,data33,data34,data35,data36,data37,
							data38,data39,data40,data41,data42;

integer i;	
(* noprune *) reg [7:0]reg_out[`reglength:0];//理论上这里可以输出最高256个8位寄存器
wire data_samp;
wire [7:0]data_reg0;
newart u1(uart_in,clk50,data_samp,data_reg0);

reg [7:0]shift1,shift2,shift3,shift4;
always@(posedge data_samp or negedge rst)
begin
	if(~rst)begin
		shift1<=0;//data_verify
		shift2<=0;//data
		shift3<=0;//addr_verify
		shift4<=0;//addr
		for(i=0;i<=`reglength;i=i+1)
			reg_out[i]<=0;
	end
	else begin
		if((shift3==addr_verify(shift4))&&(shift1==addr_verify(shift2)))begin//满足校验条件，清零并采样
			reg_out[shift4]=shift2;
			shift1<=0;
			shift2<=0;
			shift3<=0;
			shift4<=0;
		end
		else begin
			shift4<=shift3;
			shift3<=shift2;
			shift2<=shift1;
			shift1<=data_reg0;
		end
	end
end

assign data0=reg_out[0];
assign data1=reg_out[1];
assign data2=reg_out[2];
assign data3=reg_out[3];
assign data4=reg_out[4];
assign data5=reg_out[5];
assign data6=reg_out[6];
assign data7=reg_out[7];
assign data8=reg_out[8];
assign data9=reg_out[9];
assign data10=reg_out[10];
assign data11=reg_out[11];
assign data12=reg_out[12];
assign data13=reg_out[13];
assign data14=reg_out[14];
assign data15=reg_out[15];
assign data16=reg_out[16];
assign data17=reg_out[17];
assign data18=reg_out[18];
assign data19=reg_out[19];
assign data20=reg_out[20];
assign data21=reg_out[21];
assign data22=reg_out[22];
assign data23=reg_out[23];
assign data24=reg_out[24];
assign data25=reg_out[25];
assign data26=reg_out[26];
assign data27=reg_out[27];
assign data28=reg_out[28];
assign data29=reg_out[29];
assign data30=reg_out[30];
assign data31=reg_out[31];
assign data32=reg_out[32];
assign data33=reg_out[33];
assign data34=reg_out[34];
assign data35=reg_out[35];
assign data36=reg_out[36];
assign data37=reg_out[37];
assign data38=reg_out[38];
assign data39=reg_out[39];
assign data40=reg_out[40];
assign data41=reg_out[41];
assign data42=reg_out[42];

function [7:0]addr_verify;
input [7:0]addr;
begin
addr_verify[7]=0^addr[6]^addr[5]^addr[4];   
addr_verify[6]=0^addr[5]^addr[4]^addr[3]; 
addr_verify[5]=1^addr[7]^addr[4]^addr[3]^addr[2];
addr_verify[4]=1^addr[6]^addr[3]^addr[2]^addr[1];
addr_verify[3]=0^addr[7]^addr[5]^addr[2]^addr[1]^addr[0];
addr_verify[2]=1^addr[5]^addr[1]^addr[0];
addr_verify[1]=1^addr[7]^addr[6]^addr[5]^addr[0];   
addr_verify[0]=0;
end
endfunction

endmodule

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     MATLAB端对fwrite进行了一点封装，代码如下：

    function uart_reg_write(serial_port,addr_uart,data_reg)
% 参数1是实例化的串口对象
% 参数2是地址，参数3是数据
addr_verify=bit8verify(addr_uart);
data_verify=bit8verify(data_reg);
space=32;

fwrite(serial_port,uint8(addr_uart));
fwrite(serial_port,uint8(addr_verify));
fwrite(serial_port,uint8(data_reg));
fwrite(serial_port,uint8(data_verify));
fwrite(serial_port,uint8(space));

function resu=bit8verify(data)
addr=zeros(8,1);
addr_verify=zeros(8,1);
dstr=dec2bin(data,8);
weight=[1 2 4 8 16 32 64 128];
for i=1:8
    addr(9-i)=str2num(dstr(i));
end
addr_verify(8)=xor(0,xor(addr(7),xor(addr(6),addr(5))));   
addr_verify(7)=xor(0,xor(addr(6),xor(addr(5),addr(4)))); 
addr_verify(6)=xor(1,xor(addr(8),xor(addr(5),xor(addr(4),addr(3)))));
addr_verify(5)=xor(1,xor(addr(7),xor(addr(4),xor(addr(3),addr(2)))));
addr_verify(4)=xor(0,xor(addr(8),xor(addr(6),xor(addr(3),xor(addr(2),addr(1))))));
addr_verify(3)=xor(1,xor(addr(6),xor(addr(2),addr(1))));
addr_verify(2)=xor(1,xor(addr(8),xor(addr(7),xor(addr(6),addr(1)))));
addr_verify(1)=0;
resu=weight*addr_verify;

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    四、matlab串口操作技巧

     串口调用的过程中存在两个主要的问题。

     一是串口号的变化。同样一根串口线，插到电脑的A孔，被识别为COM8，插到B孔被识别为COM9；今天被识别为COM8，明天被识别为COM9。总之，号码是不固定的。

     二是串口被占用。正常的串口操作过程是，serial声明串口，fopen打开串口，fwrite写串口，fclose+delete释放串口。但是，有可能串口被某些异常进程占用，又或者测试者的代码中途报错退出而没有释放串口，导致该串口不能被再次调用。

     针对串口号变化及串口被占用的问题，采用如下代码来自动识别并打开当前串口：

    serial_resu=IdentifySerialComs; %获取可用串口
judge_serial=double(isempty(serial_resu));
if(judge_serial==0)
% 返回值不是空的，说明当前有串口
    serial_num=num2str(cell2mat(serial_resu(2)));
    com_serial=['COM' serial_num];
    msg6=['Serial is at ',com_serial];
    serial_port=serial(com_serial);
    fopen_ser(serial_port);
	% 该函数功能为：
	% 如果被占用，先释放所有串口再fopen指定串口；
	% 如果未被占用，直接fopen指定串口
end

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    % Author: Jiao 
% Date: 2022.
% 为了处理串口的异常，先检测所有的串口状态是否均为closed，是则继续fopen；
% 否则先fclose(instrfind)
function fopen_ser(serial_port)

serial_detect=instrfind();
serial_detect=serial_detect.Status;
device_len=size(serial_detect);
busy_en=0;
for i=1:device_len
    if strcmp(serial_detect(i),'open')==1
        busy_en=1;
        break;
    end
end
if(busy_en)
    fclose(instrfind);
end
fopen(serial_port);

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    function devices = IdentifySerialComs()

devices = [];

Skey = 'HKEY_LOCAL_MACHINE\HARDWARE\DEVICEMAP\SERIALCOMM';
[~, list] = dos(['REG QUERY ' Skey]);
if(max(size(list))>1)
    if ischar(list) && strcmp('ERROR',list(1:5))  %% strcmp 两个字符串相同返回1
        disp('Error: EnumSerialComs - No SERIALCOMM registry entry')
        return;
    end
else
    return;
end
list = strread(list,'%s','delimiter',' '); %#ok<FPARK> requires strread()
coms = 0;
for i = 1:numel(list)  %%numel 返回元素个数
    if strcmp(list{i}(1:3),'COM')
        if ~iscell(coms)
            coms = list(i);
        else
            coms{end+1} = list{i}; %#ok<AGROW> Loop size is always small
        end
    end
end
out = 0;
outK = 0;
for j=1:2
    switch j
        case 1
            key = 'HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Enum\USB\';
        case 2
            key = 'HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Enum\FTDIBUS\';
    end
    [~, vals] = dos(['REG QUERY ' key ' /s /f "FriendlyName" /t "REG_SZ"']);
    if ischar(vals) && strcmp('ERROR',vals(1:5))
        disp('Error: EnumSerialComs - No Enumerated USB registry entry')
        return;
    end
    vals = textscan(vals,'%s','delimiter','\t');
    vals = cat(1,vals{:});
    for i = 1:numel(vals)
        if strcmp(vals{i}(1:min(12,end)),'FriendlyName')
            if ~iscell(out)
                out = vals(i);
            else
                out{end+1} = vals{i}; %#ok<AGROW> Loop size is always small
            end
            if ~iscell(outK)
                outK = vals(i-1);
            else
                outK{end+1} = vals{i-1}; %#ok<AGROW> Loop size is always small
            end
        end
    end
end

i_dev=1;Sservices=[];
for i = 1:numel(coms)
    match = strfind(out,[coms{i},')']);
    ind = 0;
    for j = 1:numel(match)
        if ~isempty(match{j})
            ind = j;
            [~, sers] = dos(['REG QUERY "' outK{ind} '" /f "Service" /t "REG_SZ"']);
            sers = textscan(sers,'%s','delimiter','\t');
            sers = cat(1,sers{:});
            if (numel(sers)>1)
                sers=strread(sers{2},'%s','delimiter',' ');
                Sservices{i_dev} = sers{3};
                i_dev=i_dev+1;
            end
        end
    end
end
Sservices=unique(Sservices);

i_dev=1;
for ss=1:numel(Sservices)
    key = ['HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\services\' Sservices{ss} '\Enum'];
    [~, vals] = dos(['REG QUERY ' key ' /f "Count"']);
    if ischar(vals) && strcmp('ERROR',vals(1:5))
                disp('Error: EnumSerialComs - No Enumerated services USB registry entry')
                return
    end
    vals = textscan(vals,'%s','delimiter','\t');
    vals = cat(1,vals{:});

    if (numel(vals)>1)
        vals=strread(vals{2},'%s','delimiter',' ');
        Count=hex2dec(vals{3}(3:end));
        if Count>0
            [~, vals] = dos(['REG QUERY ' key]);
            vals = textscan(vals,'%s','delimiter','\t');
            vals = cat(1,vals{:});
            out=0;
            j=0;
            for i = 1:numel(vals)
                Enums=strread(vals{i},'%s','delimiter',' ');
                try nums=hex2dec(Enums{1});
                catch
                    nums=-1;
                end
                if(nums==j)
                    out=['HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Enum\' Enums{3}];
                    [~, listC] = dos(['REG QUERY "' out '" /s /f "PortName" /t "REG_SZ"']);
                    listC = textscan(listC,'%s','delimiter','\t');
                    listC = cat(1,listC{:});
                    if (numel(listC)>1)
                        listC=strread(listC{2},'%s','delimiter',' ');
                        for i = 1:numel(coms)
                            if strcmp(listC{3},coms{i})
                                [~, NameF] = dos(['REG QUERY "' out '" /s /f "FriendlyName" /t "REG_SZ"']);
                                NameF = textscan(NameF,'%s','delimiter','\t');
                                NameF = cat(1,NameF{:});
                                com = str2double(coms{i}(4:end));
                                if com > 9
                                    length = 8;
                                else
                                    length = 7;
                                end
                                devices{i_dev,1} = NameF{2}(27:end-length); %#ok<AGROW>
                                devices{i_dev,2} = com; %#ok<AGROW> Loop size is always small
                                i_dev=i_dev+1;
                            end
                        end
                    end
                    j=j+1;
                end
            end
        end
    end
end

end

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  • 原文地址：https://blog.csdn.net/jiaozihao53/article/details/128055071