16.4 实验原理
16.4.1ESP8266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。
16.4.2 ESP8266模块连接
STEP BaseBoard V4.0底板上的WIFI通信模块ESP8266-12F电路图如下：
16.4.3 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。
16.4.4 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：
当然可以，以下是按照您提供的信息转换为Markdown表格的形式：
| 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="STEP_FPGA","12345678",5,4 | 设置模块的AP参数：SSID为STEP_FPGA，密码为12345678，通道号为5，加密方式为WPA_WPA2_PSK |
| 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Uart_Tx模块配合完成UART发送数据 的功能，前级电路通过tx_data_valid和tx_data_in[7:0]端口将数据传递给Uart_Tx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Uart_Tx模块tx_data_valid和tx_data_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Uart_Rx模块配合完成UART接收数据的功能，Uart_Rx模块按照UART总线时序接收数据，然后将接收到的数据通过rx_data_valid和rx_data_out[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
);