4. 使用 UART 串口传输数据给电脑

在第 3 节中，我们连接了一个旋钮，可供人与开发板交互。那么现在问题来了，既然人拧旋钮能控制开发板上的东西，那我们能不能让开发板把人输入的数据发送给其他设备呢？显然，是可以的。

1. 设计思路

想把数据发送给其他设备有很多种方法可以实现，我们可以根据需求自己设计编码和传输方式，也可以选用一种较为通行的通信协议。

UART（Universal Asynchronous Receiver / Transmitter，一般俗称“串口”）是一种常用的通信方式，它最早出现于 1959 年发布的 DEC PDP-1 计算机，1970s 被广泛用于连接计算机主机与用户终端，现代常用于嵌入式设备。它异步，不是总线，数据结构还非常直白，所以实现较为容易。而且，在 YADAN Board 上还有专门的一片 CH340 芯片，可以将 UART 信号转换成 USB 信号，这样就可以直接通过 USB 端口把数据传给电脑了。所以，我们将基于第 3 节的代码，尝试增加一个 UART 发送器，将 ADC 的采样结果（可以旋转旋钮改变）发送给电脑。

UART 的一帧数据的结构通常如下：

……空闲	起始位	数据位	校验位	停止位	空闲……
……	1 位	一般 5 - 9 位	0 或 1 位	一般 1 - 2 位	……
固定 H	固定 L	可高位优先、也可低位优先	视校验方式	固定 H	固定 H

我们可以先实现最简单且最常见的方式，即一帧包含 8 位低位优先的数据，停止位为 1 位，无校验位：

……空闲	起始位	数据位	停止位	空闲……
……	1 位	一般 8 位	1 位	……
固定 H	固定 L	低位优先	固定 H	固定 H

此种设定下，假如要发送一字节的二进制数 00110010，只要把信号线上的电平拉成这样：

▔▔▔▔▔▁▁▔▁▁▔▔▁▁▔▔▔▔▔▔  （波形）
           0 1 0 0 1 1 0 0             （数据：因为是低位优先，所以和上边文字里写的是倒着的）
空空空空空起数数数数数数数数停空空空空空  （注释：空-空闲；起-起始位；数-数据位；停-停止位）

考虑到这一流程，我们可以编写如下图所示的一个模块 UART_TX。它有三个输入端口，若收到控制开始传输的信号，就会从 TX 端口开始发送传入的一字节数据。

将 ADC_drv 输出的 8 位数据也传入 UART_TX，再写一个 UART_TX_ticker 模块每隔一段时间给 UART_TX 发送控制开始传输的信号，最终可搭好如下图所示的整个系统。

这个系统不仅能继续实现第 3 节的代码中原有的旋旋钮调 LED 亮度的功能，还会将反应旋钮角度的数据通过 UART 发送出去。

2. 实现

在写 UART_TX 的代码时，需要想想，两个码元 (symbol) 的时间间隔应该为多少呢？几种常用的 UART 波特率（Baud，每秒传输的码元数，1 Baud = 1 symbol/s）为 9600、57600、115200 等，我们可以以 115200 波特率来设计 UART_TX模块。

翻看 YADAN Board 的介绍可知，P34 号引脚连接的时钟频率是 24 MHz，那么要多少分频才能让它变为 115200 Hz 呢？208.33 分频吗？

不，带小数的分频系数是没法实现的，我们直接 208 分频即可。虽然这会使实际的传输波特率为大约 115384.61 Baud，但是 UART 是一种异步的通信方式，波特率存在允许范围内的误差是不影响传输的。

最终，UART_TX 模块的代码如下：

module UART_TX (input CLK_24MHz,
                input [7: 0] data_in,
                input start,           // 开始发送
                output reg TX = 1'b1);
    
    // 功能：用 UART 发送一字节数据（波特率: 约 115384.61，数据位: 8，奇偶校验: 无）
    
    reg [6: 0] counter = 'd0;         // 用于分频（208 分频可实现约 115384.61 的波特率）
    reg clk_uart       = 1'b0;        // 分频后的时钟
    
    reg [3: 0] state       = 'd0;     // 指示发送状态（0: 闲置，1: 发送起始位，2 ~ 9: 发送数据，10: 发送停止位）
    reg [7: 0] data_buffer = 8'd0;    // start 触发时存储 data_in 端口输入的数据
    
    always @(posedge CLK_24MHz) begin // 208 分频
        if (counter < 'd103) begin
            counter = counter + 1;
        end
        else begin
            counter  = 'd0;
            clk_uart = ~clk_uart;
        end
    end
    
    always @(posedge clk_uart) begin
        if (state == 'd0 && start == 1'b1) begin
            state       = 1;
            data_buffer = data_in;
        end
        else if ('d0 < state && state < 'd9) begin
            state = state + 1;
        end
        else begin
            state = 0;
        end
        
        case (state)
            'd0: TX = 1'b1;
            'd1: TX = 1'b0;
            'd2: TX = data_buffer[0];
            'd3: TX = data_buffer[1];
            'd4: TX = data_buffer[2];
            'd5: TX = data_buffer[3];
            'd6: TX = data_buffer[4];
            'd7: TX = data_buffer[5];
            'd8: TX = data_buffer[6];
            'd9: TX = data_buffer[7];
            default: begin
                TX    = 1'b1;
                state = 0;
            end
        endcase
        
    end
    
endmodule

在这个页面获取完整的项目文件，综合它、生成比特流文件、烧录进开发板，把开发板上的 Micro-USB 端口与电脑相连，打开串口监视器，即可看到开发板发来的数据。旋转旋钮，即可让数据变化。