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京微齐力：基于HMEP060的心率血氧模块开发（1：FPGA发送多位指令）
2022-07-29 05:22:00 【千歌叹尽执夏】
日常·唠嗑：
最近有个项目，朋友需要用京微齐力的HME-P1P060读取MAX30102传感器的血氧数据，在做之前想了几种方案，最开始想用IIC读取传统的血氧模块数据，但是后面有看到优信电子新推出的串口类心率血氧模块，网上资料也基本没有，自己曾经也遇到这个难题，开源资料基本都是串口回环实验，综合类的串口很少开源，于是便想尝试一下。
这个项目为了具有可重构性，我将它拆成主要三个子项目：发送指令，接收指令，完整项目整合。
这样做的目的，为的就是以后这个项目，能移植到各个串口类的传感器项目上（很多时候，这类传感器的应用开发都是用嵌入式来完成，因为嵌入式拥有更成熟的各种库，做开发难度会简单很多），让大家更好的做项目。
实验结果
每按一次按键，发送一条9位的指令。
FPGA发送9位指令
一、硬件解析
1、国产FPGA：HMEP060
2、MAX30102心率传感器模块
MAX30102心率传感器模块使用UART协议进行传输数据，不做开发的时候，可以直接通过CH340插在电脑上看数据，但是如果想应用在项目里，就得对内部封装的协议进行解析。
指令表如下：本项目项要采集血氧数据，所以需要向FPGA 发送AT+SPO2\r\n 9位指令。
二、程序设计
1、波特率计算（25MHz时钟）
要做串口通信，绕不开的就是波特率计算，这里对于UART协议就不做介绍了，网上的文章或者视频解说很多，自己搜一下看看。
所谓波特率生成，就是用一个定时器来定时，产生频率与对应波特率时钟频率相同的时钟信号。例如，我们使用波特率为 115200bps，则我们需要产生一个频率为 115200Hz 的时钟信号。
那么如何产生这样一个 115200Hz 的时钟信号呢？
这里，我们首先将115200Hz 时钟信号的周期计算出来，1 秒钟为 1000_000_000ns，因此波特率时钟的周期为：Tb=1000000000/115200=8680.6ns。
即 115200 信号的一个周期为 8680.6ns，那么，我们只需要设定我们的定时器定时时间为 8680.6ns，每当定时时间到，产生一个系统时钟周期长度的高脉冲信号即可。
HMEP060系统时钟频率为25MHz，即周期为 40ns（1÷25000000=0.00000004秒=40ns） ，那么，我们只需要计数 8680/40 个系统时钟，就可获得 8680ns 的定时，bps115200=Tb/Tclk - 1=Tb*fclk - 1=fclk/115200-1。相应的，其它波特率定时值的计算与此相同。具体如下：
bps_DR = 1000000000/9600/40;
2、顶层模块
讲解，我写在代码里面，直接看代码， 这里发送的是9位数据，代码具有很强的一移植性，需要发送多位的，直接在发送数据那里增加字符，然后再状态机增加状态就行。同时代码仍在优化中，写的比较简陋，有心得的朋友，可以优化分享。
完整顶层模块代码：
//**************************************** Message ***********************************//
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//Author: 千歌叹尽执夏
//All rights reserved
//----------------------------------------------------------------------------------------
// File name: uart_tx_data
// Last modified Date: 2022年5月22日14:31:09
// Last Version: V1.1
// Descriptions: uart发送9位指令
//----------------------------------------------------------------------------------------
//****************************************************************************************//
module uart_tx_data(
Clk,
Reset_n,
Tx_Go,
uart_tx,
Trans_Done
);
input Clk;
input Reset_n;
input Tx_Go; //添加一个KEY，每按一次，发送一次，因为很多传感器都是只接一次指令，就会回传数据，不用一直发
output uart_tx;
output reg Trans_Done;
//Trans_Done的作用是增加代码的可构性，发送完指令后，对Trans_Done拉高，这个接口主要用来给大家做扩展设计的。
reg [7:0]Data;
reg Send_Go;
wire Tx_done;
wire Trans_Go;
reg [71:0]Data72;
reg test_en_dly1;
reg test_en_dly2;
//按键信号打拍
[email protected](posedge Clk)
begin
test_en_dly1 <= Tx_Go;
test_en_dly2 <= test_en_dly1;
end
//控制发送使能
assign Trans_Go = test_en_dly1 & !test_en_dly2;
//需要发送的指令字符，读取血氧的指令为AT+SPO2\r\n
//需要增加字符的，可以增加Data的位宽
[email protected](*)
begin
// Data72 <= "n\r\2OPS+TA";
Data72[7:0] <= "A";
Data72[15:8] <= "T";
Data72[23:16]<= "+";
Data72[31:24]<= "S";
Data72[39:32]<= "P";
Data72[47:40]<= "O";
Data72[55:48]<= "2";
Data72[63:56]<= "\r";
Data72[71:64]<= "\n";
end
//通过状态机的方式，将数据发送出去，每次发8位，总共9个数据
reg [3:0]state;
[email protected](posedge Clk or negedge Reset_n)
if(!Reset_n)begin
state <= 0;
Data <= 0;
Send_Go <= 0;
Trans_Done <= 0;
end
else begin
case(state)
0:
begin
Trans_Done <= 0;
if(Trans_Go)begin
Data <= Data72[7:0];
Send_Go <= 1;
state <= 1;
end
else begin
Data <= Data;
Send_Go <= 0;
state <= 0;
end
end
1:
begin
if(Tx_done)begin
Data <= Data72[15:8];
Send_Go <= 1;
state <= 2;
end
else begin
Data <= Data;
Send_Go <= 0;
state <= 1;
end
end
2:
begin
if(Tx_done)begin
Data <= Data72[23:16];
Send_Go <= 1;
state <= 3;
end
else begin
Data <= Data;
Send_Go <= 0;
state <= 2;
end
end
3:
begin
if(Tx_done)begin
Data <= Data72[31:24];
Send_Go <= 1;
state <= 4;
end
else begin
Data <= Data;
Send_Go <= 0;
state <= 3;
end
end
4:
begin
if(Tx_done)begin
Data <= Data72[39:32];
Send_Go <= 1;
state <= 5;
end
else begin
Data <= Data;
Send_Go <= 0;
state <= 4;
end
end
5:
begin
if(Tx_done)begin
Data <= Data72[47:40];
Send_Go <= 1;
state <= 6;
end
else begin
Data <= Data;
Send_Go <= 0;
state <= 5;
end
end
6:
begin
if(Tx_done)begin
Data <= Data72[55:48];
Send_Go <= 1;
state <= 7;
end
else begin
Data <= Data;
Send_Go <= 0;
state <= 6;
end
end
7:
begin
if(Tx_done)begin
Data <= Data72[63:56];
Send_Go <= 1;
state <= 8;
end
else begin
Data <= Data;
Send_Go <= 0;
state <= 7;
end
end
8:
begin
if(Tx_done)begin
Data <= Data72[71:64];
Send_Go <= 1;
state <= 9;
end
else begin
Data <= Data;
Send_Go <= 0;
state <= 8;
end
end
9:
begin
if(Tx_done)begin
Send_Go <= 0;
Trans_Done <= 1;
state <= 0;
end
else begin
Data <= Data;
Send_Go <= 0;
state <= 9;
end
end
default:
begin
Data <= Data;
Send_Go <= 0;
state <= 0;
end
endcase
end
//例化子模块
uart_byte_tx uart_byte_tx(
.Clk(Clk),
.Reset_n(Reset_n),
.Data(Data),
.Send_Go(Send_Go),
.Baud_set(0),
.uart_tx(uart_tx),
.Tx_done(Tx_done)
);
endmodule
3、子模块
//**************************************** Message ***********************************//
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//----------------------------------------------------------------------------------------
// File name: uart_byte_tx
// Last modified Date: 2022年5月22日15:20:10
// Last Version: V1.1
// Descriptions: uart协议
//----------------------------------------------------------------------------------------
//****************************************************************************************//
module uart_byte_tx(
Clk,
Reset_n,
Data,
Send_Go,
Baud_set,
uart_tx,
Tx_done
);
input Clk;
input Reset_n;
input [7:0]Data;
input Send_Go;
input [2:0]Baud_set;
output reg uart_tx;
output reg Tx_done;
//系统时钟25MHZ
//Baud_set = 0 就让波特率 = 9600；
//Baud_set = 1 就让波特率 = 19200
//Baud_set = 2 就让波特率 = 38400；
//Baud_set = 3 就让波特率 = 57600；
//Baud_set = 4 就让波特率 = 115200；
reg [17:0]bps_DR;
[email protected](*)
case(Baud_set)
0:bps_DR = 1000000000/9600/40;
1:bps_DR = 1000000000/19200/40;
2:bps_DR = 1000000000/38400/40;
3:bps_DR = 1000000000/57600/40;
4:bps_DR = 1000000000/115200/40;
default:bps_DR = 1000000000/9600/40;
endcase
reg Send_en;
[email protected](posedge Clk or negedge Reset_n)
if(!Reset_n)
Send_en <= 0;
else if(Send_Go)
Send_en <= 1;
else if(Tx_done)
Send_en <= 0;
reg [7:0]r_Data;
[email protected](posedge Clk)
if(Send_Go)
r_Data <= Data;
else
r_Data <= r_Data;
wire bps_clk;
assign bps_clk = (div_cnt == 1);
reg [17:0]div_cnt;
[email protected](posedge Clk or negedge Reset_n)
if(!Reset_n)
div_cnt <= 0;
else if(Send_en)begin
if(div_cnt == bps_DR - 1)
div_cnt <= 0;
else
div_cnt <= div_cnt + 1'b1;
end
else
div_cnt <= 0;
reg [3:0]bps_cnt;
[email protected](posedge Clk or negedge Reset_n)
if(!Reset_n)
bps_cnt <= 0;
else if(Send_en)begin
if(bps_clk)begin
if(bps_cnt == 11)
bps_cnt <= 0;
else
bps_cnt <= bps_cnt + 1'b1;
end
end
else
bps_cnt <= 0;
//并转串，每算一个波特率时钟，就发送一位数据
[email protected](posedge Clk or negedge Reset_n)
if(!Reset_n) begin
uart_tx <= 1'b1;
end
else begin
case(bps_cnt)
1:uart_tx <= 0;
2:uart_tx <= r_Data[0];
3:uart_tx <= r_Data[1];
4:uart_tx <= r_Data[2];
5:uart_tx <= r_Data[3];
6:uart_tx <= r_Data[4];
7:uart_tx <= r_Data[5];
8:uart_tx <= r_Data[6];
9:uart_tx <= r_Data[7];
10:uart_tx <= 1;
11:begin uart_tx <= 1;end
default:uart_tx <= 1;
endcase
end
//发送完成后，对Tx_done进行拉高
[email protected](posedge Clk or negedge Reset_n)
if(!Reset_n)
Tx_done <= 0;
else if((bps_clk == 1) && (bps_cnt == 10))
Tx_done <= 1;
else
Tx_done <= 0;
endmodule
三、工程获取
等项目完成了，会上传项目工程，暂时没时间整理。读者也可以自己建立工程，把这两个模块放进去就能看到代码。
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