【以太网通信】RS232 串口转以太网

最近和 RK 研发同事在调试通信接口，排查与定位 RK3399 接收数据出错的问题。FPGA 与 RK3399 之间使用一路 RS232 串口进行通信，由于串口数据没有分包，不方便排查问题，想到可以开发一个 RS232 串口转以太网的工具，将串口接收到的数据封装为 UDP 数据报文，并通过网线传输到电脑，再进行后续问题的定位。

以下是串口转以太网工具，调试的效果图。

 

目录

1 模块设计

1.1 串口接收模块

1.2 以太网发送模块

2 上板调试

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1 模块设计

1.1 串口接收模块

 

        串口接收模块电路需要实现的功能包括：

（1）串口数据接收；

（2）串口数据缓存。

        uart_rx_slice 是串口底层模块，负责接收单个 byte 数据。规定串口每帧传输的数据长度不超过 2048，需要例化一个深度为 4096，位宽为 8bit 的 Block RAM，并实现串口数据的乒乓缓存。

 

top_uart 模块代码：

`timescale 1ns / 1psmodule top_uart #(parameter       FREQ_SYS_CLK    = 32'd200_000_000,parameter       BAUD_RATE       = 32'd256_000     
)(// System levelinput           sys_rst         ,input           sys_clk         ,// Uart received data flowoutput [7:0]    uart_rcv_data   ,output          uart_rcv_valid  ,// Uart Interfaceinput           uart_rxd        ,output          uart_txd        
);wire               frame_ss        ;
wire [7:0]         rcv_data        ;
wire               rcv_valid       ;reg                frame_ss_r1     ;
reg                frame_ss_r2     ;
reg  [7:0]         blk_mem_wdata   ;
reg  [11:0]        blk_mem_waddr   ;
reg  [11:0]        blk_mem_waddr_r ;
reg  [0:0]         blk_mem_wren    ;
reg                blk_mem_rd_busy ;
reg  [11:0]        blk_mem_raddr   ;
wire [7:0]         blk_mem_rdata   ;
reg                blk_mem_rdvld   ;// uart_rx_slice: Uart receive module
uart_rx_slice uart_rx_slice_inst (.sys_rst        (sys_rst       ), // input.sys_clk        (sys_clk       ), // input.frame_ss       (frame_ss      ), // output.rcv_data       (rcv_data      ), // output.rcv_valid      (rcv_valid     ), // output.uart_rxd       (uart_rxd      )  // input
);defparam uart_rx_slice_inst.FREQ_SYS_CLK = FREQ_SYS_CLK;
defparam uart_rx_slice_inst.BAUD_RATE    = BAUD_RATE;
// End of uart_rx_slice instantiation// blk_mem_4096x8b: Block Memory generator
blk_mem_4096x8b blk_mem_4096x8b_inst (.clka          (sys_clk        ), // input.ena           (1'b1           ), // input.wea           (blk_mem_wren   ), // input.addra         (blk_mem_waddr  ), // input.dina          (blk_mem_wdata  ), // input.clkb          (sys_clk        ), // input.rstb          (sys_rst        ), // input.enb           (1'b1           ), // input.addrb         (blk_mem_raddr  ), // input.doutb         (blk_mem_rdata  ), // output.rsta_busy     (               ), // output.rstb_busy     (               )  // output
);
// End of blk_mem_4096x8b_inst instantiationalways @(posedge sys_rst or posedge sys_clk) beginif (sys_rst == 1'b1) beginframe_ss_r1 <= 1'b0;frame_ss_r2 <= 1'b0;endelse beginframe_ss_r1 <= frame_ss;frame_ss_r2 <= frame_ss_r1;end
endalways @(posedge sys_rst or posedge sys_clk) beginif (sys_rst == 1'b1) beginblk_mem_waddr <= 12'd0;blk_mem_wdata <= 8'd0;blk_mem_wren  <= 1'b0;endelse beginblk_mem_wdata <= rcv_data;blk_mem_wren[0] <= rcv_valid;if (frame_ss_r2 == 1'b1 && frame_ss_r1 == 1'b0) beginblk_mem_waddr[11] <= ~blk_mem_waddr[11];blk_mem_waddr[10:0] <= {11{1'b0}};endelse if (blk_mem_wren[0] == 1'b1) beginblk_mem_waddr[11] <= blk_mem_waddr[11];blk_mem_waddr[10:0] <= blk_mem_waddr[10:0] + 1'b1;endend
endalways @(posedge sys_rst or posedge sys_clk) beginif (sys_rst == 1'b1) beginblk_mem_waddr_r <= 12'd0;blk_mem_raddr   <= 12'd0;blk_mem_rd_busy <= 1'b0;blk_mem_rdvld   <= 1'b0;endelse beginif (blk_mem_rd_busy == 1'b0 && frame_ss_r2 == 1'b1 && frame_ss_r1 == 1'b0) beginblk_mem_waddr_r <= blk_mem_waddr - 1'b1;blk_mem_rd_busy <= 1'b1;endelse if (blk_mem_rd_busy == 1'b1) beginif (blk_mem_raddr == blk_mem_waddr_r) beginblk_mem_raddr[11] <= ~blk_mem_raddr[11];blk_mem_raddr[10:0] <= {11{1'b0}};blk_mem_rd_busy <= 1'b0;endelse beginblk_mem_raddr[11] <= blk_mem_raddr[11];blk_mem_raddr[10:0] <= blk_mem_raddr[10:0] + 1'b1;endendblk_mem_rdvld <= blk_mem_rd_busy;end
endassign uart_rcv_data  = blk_mem_rdata;
assign uart_rcv_valid = blk_mem_rdvld;endmodule

1.2 以太网发送模块

        以太网网络层使用 IPv4 协议，传输层使用 UDP 协议。

以太网发送模块电路需要实现的功能包括：

（1）IPv4 与 UDP 协议校验；

（2）以太网帧组帧（包括 CRC 校验）；

（3）GMII 与 RGMII 桥接。

        同样例化一个深度为 4096，位宽为 8bit 的 Block RAM，实现以太网帧数据的乒乓缓存，在初始化文件中写入以太网帧头，MAC 地址等信息。

使用 Python 代码生成 coe 文件，代码如下：

# 以太网帧头数据
f = b'\x55\x55\x55\x55\x55\x55\x55\xd5\xd4\x5d\x64\xad\x16\x47\x11\x22\x33\x44\x55\x66\x08\x00\x45\x00\x00\x00\x00\x00\x40\x00\x40\x11\xff\xff\xc0\xa8\x01\x08\xc0\xa8\x01\x09\x1f\x90\x1f\x90\x00\x00\x00\x00'
raw_data = list(map(lambda e: "{:02X}".format(e), f))while len(raw_data) < 2048:raw_data.append('00')# 写入coe文件
with open('blk_mem_4096x8b_MAC.coe', 'w') as f:f.write('memory_initialization_radix = 16;\n')f.write('memory_initialization_vector = \n')for i,e in enumerate(raw_data*2):if i != len(raw_data*2)-1:f.write("{:s},\n".format(e))else:f.write("{:s};".format(e))

 

在 IP 核配置界面，选择 coe 初始化文件，点击 Edit 查看数据。

 

top_ethernet 模块代码：

`timescale 1ns / 1psmodule top_ethernet #(parameter       local_ip_addr   = 32'hC0A80109,parameter       remote_ip_addr  = 32'hC0A8010A,parameter       local_udp_port  = 16'h1F90,parameter       remote_udp_port = 16'h1F90
)(// System levelinput           sys_rst         ,input           sys_clk         ,// RGMII Interfaceinput           rgmii_rxc       ,input  [3:0]    rgmii_rxd       ,input           rgmii_rx_ctl    ,output          rgmii_txc       ,output [3:0]    rgmii_txd       ,output          rgmii_tx_ctl    ,// UDP data input portsinput  [7:0]    eth_udp_txd     ,input           eth_udp_txen     
);wire               gmii_tx_clk;
wire [7:0]         eth_mac_txd;
wire               eth_mac_txen;// mac_tx_slice: MAC data pack and transmit module
mac_tx_slice mac_tx_slice_inst(.sys_rst        (sys_rst        ), // input.sys_clk        (sys_clk        ), // input.gmii_tx_clk    (gmii_tx_clk    ), // input.eth_udp_txd    (eth_udp_txd    ), // input.eth_udp_txen   (eth_udp_txen   ), // input.eth_mac_txd    (eth_mac_txd    ), // output.eth_mac_txen   (eth_mac_txen   )  // output
);defparam mac_tx_slice_inst.local_ip_addr   = local_ip_addr;
defparam mac_tx_slice_inst.remote_ip_addr  = remote_ip_addr;
defparam mac_tx_slice_inst.local_udp_port  = local_udp_port;
defparam mac_tx_slice_inst.remote_udp_port = remote_udp_port;
// End of mac_tx_slice_inst instantiation// gmii_rgmii_bright: GMII to RGMII bridge
util_gmii_to_rgmii util_gmii_to_rgmii (.reset          (sys_rst        ), // input.rgmii_td       (rgmii_txd      ), // output.rgmii_tx_ctl   (rgmii_tx_ctl   ), // output.rgmii_txc      (rgmii_txc      ), // output.rgmii_rd       (rgmii_rxd      ), // input.rgmii_rx_ctl   (rgmii_rx_ctl   ), // input.rgmii_rxc      (rgmii_rxc      ), // input.gmii_txd       (eth_mac_txd    ), // input.gmii_tx_en     (eth_mac_txen   ), // input.gmii_tx_er     (1'b0           ), // input.gmii_tx_clk    (gmii_tx_clk    ), // output.gmii_crs       (               ), // output.gmii_col       (               ), // output.gmii_rxd       (               ), // output.gmii_rx_dv     (               ), // output.gmii_rx_er     (               ), // output.gmii_rx_clk    (               ), // output.speed_selection(2'b10          ), // input.duplex_mode    (1'b1           )  // input
);
// End of util_gmii_to_rgmii_inst instantiationendmodule

2 上板调试

        使用 ALINX AX7035 开发板，进行工程调试。红色的线接 USB 转串口接口，蓝色的线接入千兆网口。使用电脑模拟发送串口数据，并接收以太网数据。

 

 

         电脑端同时打开串口调试助手，和 wireshark 工具，开始抓包。

在串口调试助手中输入待发送数据，选择定时 1s 发送，观察 wireshark 界面是否间隔 1s 收到数据包。