WIFI_ESP8266通信系統設計
實驗任務
實驗目的
在前面串口監視系統設計實驗中我們學習了UART總線的驅動原理及設計實現，本實驗主要了解WIFI通信TCP協議，熟悉AT指令集，掌握ESP8266模塊的配置方法，最終通過FPGA編程實現對ESP8266模塊的配置應用。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202312/453984.htm設計框圖
根據前面的實驗解析我們可以得知，該設計可以拆分成以下功能模塊實現，
實驗原理
ESP8266模塊介紹
ESP8266是ai-thinker公司推出的一款無線WIFI模塊，可以通過配置，和單片機上的串口進行通信，利用WIFI傳輸數據。模塊內部使用樂鑫推出的低功耗高集成度的WIFI芯片，ESP8266EX內置超低功耗32位RISK處理器，CPU最高時鐘頻率可達160Mhz，支持實時操作系統RTOS，和WIFI協議棧，可將高達80%的處理能力留給編程與開發。
ESP8266模塊連接
STEP BaseBoard V3.0底板上的WIFI通信模塊ESP8266-12F電路圖如下：
ESP8266模塊配置流程
（1）取下小腳丫底板，將Baseboard的GPIO29與GPIO26用杜邦線連接起來，將GPIO27與GPIO28連接起來，這樣就實現了CP2102與ESP8266的互聯。
（2）打開串口調試助手，發送“AT”(AT指令集后要換行)，發送，如果連接無誤效果如下：
（3）保險起見，我們復位一下模塊，發送AT+RST，如無誤如下圖所示（亂碼為正?，F象，有返回ready即可）：
（4）如果你在一個存在WIFI的環境下，可以將ESP8266連入路由器，并獲得IP，首先，配置ESP8266的工作模式為sta，輸入AT+CWMODE=1，如無誤如下圖所示：
然后，我們掃描附近WIFI：
找到我們要連入的WIFI，本例中，我們連入“FHQ”，密碼為123456789
我們可以從圖片中看到已經成功連入并獲取到IP，你可以使用AT+CWQAP來斷開WIFI。
（5）成功連入WIFI之后，我們就要開始配置透傳了，首先，配置連接模式為單連接：
（6）打開網絡調試助手，獲取本機IP與端口：
我們將協議類型改為TCP Server，端口號改為1234。
（7）回到串口調試助手，發送AT+CIPSTART=“TCP”,“192.168.20.125”,1234，連入該端口。發送AT+CIPMODE=1打開透傳。
發送AT+CIPSEND進入透傳模式：
如果要退出透傳，則發送不帶回車的“+++”即可退出透傳模式。
（8）我們在成功進入透傳模式后，在串口助手中發送”hello”，如連接無誤，你可以在網絡調試助手端接收到“hello”。
你也可以在網絡調試助手端發送數據，串口段也可接收到：
這樣就完成了ESP8266的網絡通訊。
系統總體實現
本實驗我們將ESP8266配置成SoftAP模式，同時配置成服務器，采用下表中的指令對ESP8266模塊進行配置。
ESP8266配置指令表：
| 序號 | 發送指令 | 作用 |
| 1 | AT+CWMODE=2 | 設置模塊WIFI模式為SoftAP模式 |
| 2 | AT+CWSAP=”STEPFPGA“,”12345678“,5,4 |設置模塊的AP參數：SSID為STEPFPGA，密碼為12345678，通道號為5，加密方式為WPAWPA2PSK | |
| 3 | AT+RST | 重啟生效 |
| 4 | AT+CIPMUX=1 | 開啟多連接 |
| 5 | AT+CIPSERVER=1,8686 | 開啟SERVER模式，端口設置為8686 |
這里我們發送的各種指令，實際發送的數據為字符對應的ASCII碼，所以在FPGA程序實現的時候就是要取AT指令的ASCII碼值，例如”AT+RST”復位指令，通過串口調試助手發送的數據為<0x41,0x54,0x2B,0x52,0x53,0x54,0x0D,0x0A>，每個字符的ASCII碼都是8位位寬的數據，其中0x41為A的ASCII碼，0x0D和0x0A為回車換行的ASCII碼， Verilog語言中使用雙引號獲取字符的ASCII碼。
變量char表示AT指令數據，變量num表示AT指令中包含的字符數量（包含回車和換行），程序實現如下：
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我們使用狀態機的MAIN狀態控制我們需要配置的所有指令數據，你可以比喻成帝王，把握整個設計的大局。
使用AT指令集控制ESP8266模塊是UART接口，我們前面串口監視系統設計實驗詳細講解了UART通信，本實驗需要例化UART模塊進行數據傳輸，如下：
/////////////////////////uart_tx module////////////////////// Baud # (.BPS_PARA (BPS_PARA ) ) Baud_tx(.clk (clk ), //系統時鐘 12MHz .rst_n (rst_n ), //系統復位，低有效 .bps_en (bps_en_tx ), //接收時鐘使能 .bps_clk (bps_clk_tx ) //接收時鐘輸出 ); Uart_Tx Uart_Tx_uut(.clk (clk ), //系統時鐘 12MHz .rst_n (rst_n ), //系統復位，低有效 .bps_en (bps_en_tx ), //發送時鐘使能 .bps_clk (bps_clk_tx ), //發送時鐘輸入 .tx_data_valid (tx_data_valid ), //發送數據有效脈沖 .tx_data_in (tx_data_in ), //要發送的數據 .uart_tx (wifi_tx ) //UART發送輸出 );
Baud模塊和UartTx模塊配合完成UART發送數據的功能，前級電路通過txdatavalid和txdatain[7:0]端口將數據傳遞給UartTx模塊，然后Uart_Tx模塊將數據按照UART總線時序發送出去，框圖如下：
我們使用之前設計的UART發送模塊將需要傳遞的數據通過UART總線發送出去，你可以比喻成士兵，是具體的執行人員。
帝王把握整體設計，有哪些數據需要傳輸；士兵只會干活，UART傳輸實現，每次傳輸8位數據；我們還需要一名將軍，按照帝王的要求指揮士兵完成任務。所以每當MAIN（帝王）狀態跳轉到TXMD（將軍）狀態后，TXMD狀態完成對UartTx模塊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
到這里對ESP8266的配置已經完成了，假設用手機或電腦連接該網絡：STEP_FPGA，同時打開網絡調試助手作為TCP Client連接TCP服務器：192.168.4.1，端口號：8686，那么就可以給ESP8266發數據了，ESP8266模塊接收到WIFI數據，然后以UART總線時序發送給FPGA，FPGA需要UART總線的接收模塊接收數據，所以設計中還需要對UART接收功能模塊的例化，程序實現如下：
////////////////////////uart_rx module///////////////////// Baud # ( .BPS_PARA (BPS_PARA )) Baud_rx( .clk (clk ), //系統時鐘 12MHz .rst_n (rst_n ), //系統復位，低有效 .bps_en (bps_en_rx ), //接收時鐘使能 .bps_clk (bps_clk_rx ) //接收時鐘輸出 ); Uart_Rx Uart_Rx_uut(.clk (clk ), //系統時鐘 12MHz .rst_n (rst_n ), //系統復位，低有效 .bps_en (bps_en_rx ), //接收時鐘使能 .bps_clk (bps_clk_rx ), //接收時鐘輸入 .uart_rx (wifi_rx ), //UART接收輸入 .rx_data_valid (rx_data_valid ), //接收數據有效脈沖 .rx_data_out (rx_data_out ) //接收到的數據 );
Baud模塊和UartRx模塊配合完成UART接收數據的功能，UartRx模塊按照UART總線時序接收數據，然后將接收到的數據通過rxdatavalid和rxdataout[7:0]端口輸出給后級電路，框圖如下：
當我們連接服務器，使用網絡調試助手發送數據<123>，ESP8266模塊接收WIFI信號，并通過UART返回數據<+IPD,0,3:123>，如上圖所示，想要將123顯示在數碼管上，需要對UART接收的數據進行解析，包括兩個方面， 1)接收到的數據中<+IPD,0,3:>部分不能顯示，需要排除，只顯示數據<123> 2)數據以ASCII碼形式接收，需要解析成字符數據
UART數據中被舍棄的數據<+IPD,0,3:>，我們可以簡單的使用加號<+>和冒號<:>來控制顯示的部分，例如顯示冒號以后且加號以前的數據，程序實現如下
//解析UART通信，控制只顯示有效數據部分 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碼數據譯碼成對應的字符數據，程序實現如下：
//對接收的ASCII碼值解碼，只對應0~9的數字 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
最后將顯示部分的字符數據放到移位寄存器中緩存，程序實現如下：
reg [35:0] seg_data;//移位寄存器，UART接收數據的buffer
always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
seg_data <= 36'haaaa_aaaa_a; // 本實驗a對應數碼管字庫為不顯示
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例化掃描式數碼管驅動模塊，將移位寄存器緩存的數據顯示在數碼管上，程序實現如下：
Segment_scan Segment_scan_uut ( .clk (clk ), //系統時鐘 12MHz .rst_n (rst_n ), //系統復位 低有效 .dat_1 (seg_data[31:28] ), //SEG1 顯示的數據輸入 .dat_2 (seg_data[27:24] ), //SEG2 顯示的數據輸入 .dat_3 (seg_data[23:20] ), //SEG3 顯示的數據輸入 .dat_4 (seg_data[19:16] ), //SEG4 顯示的數據輸入 .dat_5 (seg_data[15:12] ), //SEG5 顯示的數據輸入 .dat_6 (seg_data[11: 8] ), //SEG6 顯示的數據輸入 .dat_7 (seg_data[ 7: 4] ), //SEG7 顯示的數據輸入 .dat_8 (seg_data[ 3: 0] ), //SEG8 顯示的數據輸入 .dat_en (8'b1111_1111 ), //數碼管數據位顯示使能 .dot_en (8'b0000_0000 ), //數碼管小數點位顯示使能 .seg_rck (seg_rck ), //74HC595的RCK管腳 .seg_sck (seg_sck ), //74HC595的SCK管腳 .seg_din (seg_din ) //74HC595的SER管腳 );
實驗步驟
實驗現象
將設計加載到FPGA，手機或電腦WIFI連接到STEP_FPGA網絡上，打開網絡調試助手配置成TCP Client連接TCP服務器：192.168.4.1，端口號：8686，發送0~9的阿拉伯數字，底板數碼管就能顯示出來，當一次發送超過8位數據，只顯示后面的8位數據。例如，網絡調試助手發送數據<123>，數碼管顯示123。
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