WIFI_ESP8266通信系统设计
实验任务
- 任务：基于 STEP-MAX10M08核心板 和 STEP BaseBoard V3.0底板 完成WIFI_ESP8266通信系统设计并观察调试结果
- 要求：通过手机或电脑网络调试助手给ESP8266模块发送数据，FPGA驱动ESP8266模块获取数据，并显示在底板的数码管上。
- 解析：要通过ESP8266实现WIFI通信有多种方式，本实验采用方式：FPGA驱动ESP8266模块，将ESP8266配置成SoftAP模式同时配置成TCP Server，手机或电脑连接ESP8266的WIFI热点，网络调试助手TCP Client连接到ESP8266的TCP Server，并发送数据，FPGA读取ESP8266数据并处理，最后显示在8位数码管上。
实验目的
在前面串口监视系统设计实验中我们学习了UART总线的驱动原理及设计实现，本实验主要了解WIFI通信TCP协议，熟悉AT指令集，掌握ESP8266模块的配置方法，最终通过FPGA编程实现对ESP8266模块的配置应用。
- 熟悉基本网络通信原理，简要了解TCP协议
- 熟悉AT指令集，掌握ESP8266模块的配置方法
- FPGA通过UART配置ESP8266模块的设计实现
- 完成WIFI_ESP8266通信系统设计实现
设计框图
根据前面的实验解析我们可以得知，该设计可以拆分成以下功能模块实现，
- WIFIESP8266：TOP模块，同时负责对ESP8266配置和处理接收的数据。 * Baud：控制UART通信数据传输速率。 * UartRx：根据数据传输速率节拍控制UART数据接收。
- UartTx：根据数据传输速率节拍控制UART数据发送。 * Segmentscan：通过驱动底板扫描式数码管将串口接收的数据显示出来。
实验原理
ESP8266模块介绍
ESP8266是ai-thinker公司推出的一款无线WIFI模块，可以通过配置，和单片机上的串口进行通信，利用WIFI传输数据。模块内部使用乐鑫推出的低功耗高集成度的WIFI芯片，ESP8266EX内置超低功耗32位RISK处理器，CPU最高时钟频率可达160Mhz，支持实时操作系统RTOS，和WIFI协议栈，可将高达80%的处理能力留给编程与开发。
ESP8266模块连接
STEP BaseBoard V3.0底板上的WIFI通信模块ESP8266-12F电路图如下：
ESP8266模块配置流程
（1）取下小脚丫底板，将Baseboard的GPIO29与GPIO26用杜邦线连接起来，将GPIO27与GPIO28连接起来，这样就实现了CP2102与ESP8266的互联。
（2）打开串口调试助手，发送“AT”(AT指令集后要换行)，发送，如果连接无误效果如下：
（3）保险起见，我们复位一下模块，发送AT+RST，如无误如下图所示（乱码为正常现象，有返回ready即可）：
（4）如果你在一个存在WIFI的环境下，可以将ESP8266连入路由器，并获得IP，首先，配置ESP8266的工作模式为sta，输入AT+CWMODE=1，如无误如下图所示：
然后，我们扫描附近WIFI：
找到我们要连入的WIFI，本例中，我们连入“FHQ”，密码为123456789
我们可以从图片中看到已经成功连入并获取到IP，你可以使用AT+CWQAP来断开WIFI。
（5）成功连入WIFI之后，我们就要开始配置透传了，首先，配置连接模式为单连接：
（6）打开网络调试助手，获取本机IP与端口：
我们将协议类型改为TCP Server，端口号改为1234。
（7）回到串口调试助手，发送AT+CIPSTART=“TCP”,“192.168.20.125”,1234，连入该端口。发送AT+CIPMODE=1打开透传。
发送AT+CIPSEND进入透传模式：
如果要退出透传，则发送不带回车的“+++”即可退出透传模式。
（8）我们在成功进入透传模式后，在串口助手中发送”hello”，如连接无误，你可以在网络调试助手端接收到“hello”。
你也可以在网络调试助手端发送数据，串口段也可接收到：
这样就完成了ESP8266的网络通讯。
系统总体实现
本实验我们将ESP8266配置成SoftAP模式，同时配置成服务器，采用下表中的指令对ESP8266模块进行配置。
ESP8266配置指令表：
| 序号 | 发送指令 | 作用 |
| 1 | AT+CWMODE=2 | 设置模块WIFI模式为SoftAP模式 |
| 2 | AT+CWSAP=”STEPFPGA“,”12345678“,5,4 |设置模块的AP参数：SSID为STEPFPGA，密码为12345678，通道号为5，加密方式为WPAWPA2PSK | |
| 3 | AT+RST | 重启生效 |
| 4 | AT+CIPMUX=1 | 开启多连接 |
| 5 | AT+CIPSERVER=1,8686 | 开启SERVER模式，端口设置为8686 |
这里我们发送的各种指令，实际发送的数据为字符对应的ASCII码，所以在FPGA程序实现的时候就是要取AT指令的ASCII码值，例如”AT+RST”复位指令，通过串口调试助手发送的数据为<0x41,0x54,0x2B,0x52,0x53,0x54,0x0D,0x0A>，每个字符的ASCII码都是8位位宽的数据，其中0x41为A的ASCII码，0x0D和0x0A为回车换行的ASCII码， Verilog语言中使用双引号获取字符的ASCII码。
变量char表示AT指令数据，变量num表示AT指令中包含的字符数量（包含回车和换行），程序实现如下：
MAIN:begin if(cnt_main >= 4'd5) cnt_main <= 4'd5; //write mode else cnt_main <= cnt_main + 1'b1; case(cnt_main) 4'd0: begin num<=8'd13; char<={"AT+CWMODE=2",16'h0d0a};state<=TXMD; end 4'd1: begin num<=8'd37; char<={"AT+CWSAP=",8'h22,"STEP_FPGA",8'h22,",",8'h22,"12345678",8'h22,",5,4",16'h0d0a};state <= TXMD; end 4'd2: begin num<=8'd08; char <= {"AT+RST",16'h0d0a};state <= TXMD; end 4'd3: begin num<=8'd13; char<={"AT+CIPMUX=1",16'h0d0a};state<=TXMD; end 4'd4: begin num <= 8'd21; char <= {"AT+CIPSERVER=1,8686",16'h0d0a};state <= TXMD; end 4'd5: begin state <= REMD; end default: state <= IDLE; endcase end
我们使用状态机的MAIN状态控制我们需要配置的所有指令数据，你可以比喻成帝王，把握整个设计的大局。
使用AT指令集控制ESP8266模块是UART接口，我们前面串口监视系统设计实验详细讲解了UART通信，本实验需要例化UART模块进行数据传输，如下：
/////////////////////////uart_tx module////////////////////// Baud # ( .BPS_PARA (BPS_PARA ) ) Baud_tx ( .clk (clk ), //系统时钟 12MHz .rst_n (rst_n ), //系统复位，低有效 .bps_en (bps_en_tx ), //接收时钟使能 .bps_clk (bps_clk_tx ) //接收时钟输出 ); Uart_Tx Uart_Tx_uut ( .clk (clk ), //系统时钟 12MHz .rst_n (rst_n ), //系统复位，低有效 .bps_en (bps_en_tx ), //发送时钟使能 .bps_clk (bps_clk_tx ), //发送时钟输入 .tx_data_valid (tx_data_valid ), //发送数据有效脉冲 .tx_data_in (tx_data_in ), //要发送的数据 .uart_tx (wifi_tx ) //UART发送输出 );
Baud模块和UartTx模块配合完成UART发送数据的功能，前级电路通过txdatavalid和txdatain[7:0]端口将数据传递给UartTx模块，然后Uart_Tx模块将数据按照UART总线时序发送出去，框图如下：
我们使用之前设计的UART发送模块将需要传递的数据通过UART总线发送出去，你可以比喻成士兵，是具体的执行人员。
帝王把握整体设计，有哪些数据需要传输；士兵只会干活，UART传输实现，每次传输8位数据；我们还需要一名将军，按照帝王的要求指挥士兵完成任务。所以每当MAIN（帝王）状态跳转到TXMD（将军）状态后，TXMD状态完成对UartTx模块txdatavalid和txdata_in[7:0]端口的配置。
TXMD:begin case(cnt_txmd) 3'd0: if(bps_en_tx) cnt_txmd <= cnt_txmd; else cnt_txmd <= cnt_txmd + 1'b1; 3'd1: begin num <= num - 1'b1; cnt_txmd <= cnt_txmd + 1'b1; end 3'd2: begin tx_data_valid <= 1'b1; tx_data_in <= char[(num*8)+:8]; cnt_txmd <= cnt_txmd + 1'b1; end 3'd3: begin tx_data_valid <= 1'b0; if(num>=1'b1) cnt_txmd <= 3'd0; else cnt_txmd <= cnt_txmd + 1'b1; end 3'd4: begin state <= DELAY; cnt_txmd <= 1'b0; end default: state <= IDLE; endcase end
到这里对ESP8266的配置已经完成了，假设用手机或电脑连接该网络：STEP_FPGA，同时打开网络调试助手作为TCP Client连接TCP服务器：192.168.4.1，端口号：8686，那么就可以给ESP8266发数据了，ESP8266模块接收到WIFI数据，然后以UART总线时序发送给FPGA，FPGA需要UART总线的接收模块接收数据，所以设计中还需要对UART接收功能模块的例化，程序实现如下：
////////////////////////uart_rx module///////////////////// Baud # ( .BPS_PARA (BPS_PARA ) ) Baud_rx ( .clk (clk ), //系统时钟 12MHz .rst_n (rst_n ), //系统复位，低有效 .bps_en (bps_en_rx ), //接收时钟使能 .bps_clk (bps_clk_rx ) //接收时钟输出 ); Uart_Rx Uart_Rx_uut ( .clk (clk ), //系统时钟 12MHz .rst_n (rst_n ), //系统复位，低有效 .bps_en (bps_en_rx ), //接收时钟使能 .bps_clk (bps_clk_rx ), //接收时钟输入 .uart_rx (wifi_rx ), //UART接收输入 .rx_data_valid (rx_data_valid ), //接收数据有效脉冲 .rx_data_out (rx_data_out ) //接收到的数据 );
Baud模块和UartRx模块配合完成UART接收数据的功能，UartRx模块按照UART总线时序接收数据，然后将接收到的数据通过rxdatavalid和rxdataout[7:0]端口输出给后级电路，框图如下：
当我们连接服务器，使用网络调试助手发送数据<123>，ESP8266模块接收WIFI信号，并通过UART返回数据<+IPD,0,3:123>，如上图所示，想要将123显示在数码管上，需要对UART接收的数据进行解析，包括两个方面， 1)接收到的数据中<+IPD,0,3:>部分不能显示，需要排除，只显示数据<123> 2)数据以ASCII码形式接收，需要解析成字符数据
UART数据中被舍弃的数据<+IPD,0,3:>，我们可以简单的使用加号<+>和冒号<:>来控制显示的部分，例如显示冒号以后且加号以前的数据，程序实现如下
//解析UART通信，控制只显示有效数据部分 always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin if(!rst_n) display_en <= 1'b0; else if((state == REMD)&&(rx_data_valid)) case(rx_data_out) ":": display_en <= 1'b1; "+": display_en <= 1'b0; default: display_en <= display_en; endcase else display_en <= display_en; end
ASCII码数据译码成对应的字符数据，程序实现如下：
//对接收的ASCII码值解码，只对应0~9的数字 always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin if(!rst_n) seg_data_r <= 4'ha; else if((state == REMD)&&(rx_data_valid)) case(rx_data_out) "0": seg_data_r <= 4'd0; "1": seg_data_r <= 4'd1; "2": seg_data_r <= 4'd2; "3": seg_data_r <= 4'd3; "4": seg_data_r <= 4'd4; "5": seg_data_r <= 4'd5; "6": seg_data_r <= 4'd6; "7": seg_data_r <= 4'd7; "8": seg_data_r <= 4'd8; "9": seg_data_r <= 4'd9; default: seg_data_r <= seg_data_r; endcase else seg_data_r <= seg_data_r; end
最后将显示部分的字符数据放到移位寄存器中缓存，程序实现如下：
reg [35:0] seg_data; //移位寄存器，UART接收数据的buffer always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin seg_data <= 36'haaaa_aaaa_a; // 本实验a对应数码管字库为不显示 end else if(!display_en_r2) begin // seg_data <= 36'haaaa_aaaa_a; end else if(rx_data_valid_r1) begin seg_data <= {seg_data[31:0],seg_data_r}; end else seg_data <= seg_data; end
例化扫描式数码管驱动模块，将移位寄存器缓存的数据显示在数码管上，程序实现如下：
Segment_scan Segment_scan_uut ( .clk (clk ), //系统时钟 12MHz .rst_n (rst_n ), //系统复位 低有效 .dat_1 (seg_data[31:28] ), //SEG1 显示的数据输入 .dat_2 (seg_data[27:24] ), //SEG2 显示的数据输入 .dat_3 (seg_data[23:20] ), //SEG3 显示的数据输入 .dat_4 (seg_data[19:16] ), //SEG4 显示的数据输入 .dat_5 (seg_data[15:12] ), //SEG5 显示的数据输入 .dat_6 (seg_data[11: 8] ), //SEG6 显示的数据输入 .dat_7 (seg_data[ 7: 4] ), //SEG7 显示的数据输入 .dat_8 (seg_data[ 3: 0] ), //SEG8 显示的数据输入 .dat_en (8'b1111_1111 ), //数码管数据位显示使能 .dot_en (8'b0000_0000 ), //数码管小数点位显示使能 .seg_rck (seg_rck ), //74HC595的RCK管脚 .seg_sck (seg_sck ), //74HC595的SCK管脚 .seg_din (seg_din ) //74HC595的SER管脚 );
实验步骤
- 双击打开Quartus Prime工具软件；
- 新建工程：File → New Project Wizard（工程命名，工程目录选择，设备型号选择，EDA工具选择）；
- 新建文件：File → New → Verilog HDL File，键入设计代码并保存；
- 设计综合：双击Tasks窗口页面下的Analysis & Synthesis对代码进行综合；
- 管脚约束：Assignments → Assignment Editor，根据项目需求分配管脚；
- 设计编译：双击Tasks窗口页面下的Compile Design对设计进行整体编译并生成配置文件；
- 程序烧录：点击Tools → Programmer打开配置工具，Program进行下载；
- 观察设计运行结果。
实验现象
将设计加载到FPGA，手机或电脑WIFI连接到STEP_FPGA网络上，打开网络调试助手配置成TCP Client连接TCP服务器：192.168.4.1，端口号：8686，发送0~9的阿拉伯数字，底板数码管就能显示出来，当一次发送超过8位数据，只显示后面的8位数据。例如，网络调试助手发送数据<123>，数码管显示123。
