基于FPGA的串口通信电路设计与实现
基于fpga的串口设计及实现
基于fpga的串口设计及实现
基于FPGA的串口设计及实现是一个涉及数字电路设计和通信协
议的复杂课题。
首先，让我们从串口通信的基本原理开始。
串口通信是一种通过串行传输数据的通信方式，它使用一个或
多个数据线（通常是一对）来逐位地传输数据。
常见的串口通信标
准包括RS-232、RS-485、UART等。
在FPGA中实现串口通信，需要
考虑以下几个方面：
1. 串口通信协议选择，根据具体的应用场景和需求，选择合适
的串口通信协议。
例如，UART是一种常见的串口通信协议，它使用
起始位、数据位、校验位和停止位来传输数据。
2. 串口通信接口设计，在FPGA中设计串口通信接口，需要考
虑数据的发送和接收，时钟信号的同步等问题。
通常需要使用FPGA
的IO资源来实现串口通信接口。
3. 串口通信协议的实现，在FPGA中实现选择的串口通信协议，包括数据的发送和接收、时序控制、校验等功能。
这通常需要使用Verilog或VHDL等硬件描述语言进行开发。
4. 硬件调试和验证，设计完成后，需要进行硬件调试和验证，包括时序分析、波形仿真等工作，确保串口通信的稳定和可靠。
在实际的FPGA串口设计中，还需要考虑时钟频率、数据传输速率、数据格式、数据校验、中断处理等问题。
此外，还需要考虑FPGA与外部设备的接口，如与传感器、显示器、存储器等设备的接口设计。
总之，基于FPGA的串口设计及实现涉及到硬件设计、数字电路设计、通信协议等多个方面的知识，需要综合考虑各种因素，进行全面的设计和实现。
基于FPGA的串口通信设计与实现
置和输人数据计算出响应
的奇偶校验位，它是通过
纯组合逻辑来实现的。
２．６总线选择模块
总线选择模块用于
选择奇偶校验器的输入是
数据发送总线还是数据接
收总线。
２．７计数器模块
计数器模块的功能
是记录串行数据发送或者
接收的数日，在计数到某
数值时通知ＵＡＲＴ内核模
块。 ３ ＵＡＲＴ程序设计 ＵＡＲＴ完整的工作流程可以分为接收过程
关键词：ＦＰＧＡ：ＵＡＲＴ：ＲＳ２３２
引言 串行接口的应用非常广泛，为实现串口通 信功能一般使用专用串行接口芯片，但是这种 接口芯片存在体积较大、接口复杂以及成本较 高的缺点，使得硬件设计更加复杂，并且结构与 功能相对固定，无法根据设计的需要对其逻辑 控制进行灵活的修改。介绍了一种采用ＦＰＧＡ 实现串口通信的方法。 １串口通信协议 对一个设备的处理器来说，要接收和发送 串行通信的数据，需要一个器件将串行的数据 转换为并行的数据以便于处理器进行处理，这 种器件就是ＵＡＲＴ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｒｅ— ｃｅｉｖｅｒ／Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ）通用异步收发器。作为接ｉＳｌ的 一部分，ＵＡＲＴ提供以下功能： １．１将由计算机内部传送过来的并行数据 转换为输出的串行数据流； １．２将计算机外部来的串行数据转换为字 节，供计算机内部使用并行数据的器件使用； １．３在输出的串行数据流中加入奇偶校验 位，并对从外部接收的数据流进行奇偶校验： １．４在输出数据流中加入启停标记，并从 接收数据流中删除启停标记。 ２ ＵＡＲＴ模块设计 ＵＡＲＴ主要由ＵＡＲＴ内核、信号检测器、移 位寄存器、波特率发生器、计数器、总线选择器 和奇偶校验器７个模块组成。（见图１） ２．１ ＵＡＲＴ内核模块 ＵＡＲＴ内核模块是整个设计的核心。在数 据接收时，ＵＡＲＴ内核模块负责控制波特率发 生器和移位寄存器同步的接收并且保存 ＲＳ一２３２接收端口上的串行数据。在数据发送 时，ＵＡＲＴ内核模块首先产生完整的发送序列， 之后控制移位寄存器将序列加载到移位寄存器 的内部寄存器里，最后再控制波特率发生器驱 动移位寄存器将数据串行输出。 ２＿２信号检测模块 信号检测器用于对ＲＳ一２３２的输入信号进 行实时检测，一旦发现新的数据则立即通知 ＵＡＲＴ内核。需要注意的是，这里所说的 ＲＳ一２３２输入输出信号都指经过电平转换后的 逻辑信号，而不是ＲＳ一２３２总线上的电平信号。 ２＿３移位寄存器模块 移位寄存器的作用是存储输入或者输出 的数据。 ２．４波特率发生器模块 由于ＲＳ一２３２传输必定是工作在某种波特 率下，比如９６００，为了便于和ＲＳ一２３２总线进行 同步，需要产生符合ＲＳ一２３２传输波特率的时 钟。 ２．５奇偶校验器模块 奇偶校验器的功能是根据奇偶校验的设
基于FPGA的串口通信设计与实现
2017年11月基于FPGA的串口通信设计与实现王闽，张静（南京熊猫汉达科技有限公司，210014）【摘要】此次研究重点分析FPGA的串口通信设计和实现的过程，在分析相关问题的过程中，充分的了解FPGA实现RS232串行数据通信的具体方案，明确这种方案的实行对UART模块化设计的影响，从根本上避免UART芯片的复杂性，同时克服移植性较差产生的弊端。
【关键词】FPGA；UART；通信设计；实现方案【中图分类号】TN791【文献标识码】A【文章编号】1006-4222（2017）22-0052-01因为串行接口的应用相对宽泛,所以为了更好的体现出相应的通信功能,多是采用专用的串行接口芯片,这样的目的就是为实现相关的功能提供保障,但是此类接口芯片还是存有较多的问题,如体积较大、接口复杂、成本较高等,导致某些硬件在具体设计的过程中更加复杂,因此结构及功能已经保持固定,难以依照实际的需要展开设计,更无法实现对其逻辑控制的灵活修改。
1串口通信协议的基本概述设备处理器主要是对串行通信的数据进行接收并发送,整个过程离不开主要的器件,这种器件必须要完成对串行数据的转换,同时还应该对并行的数据展开处理,UART通用异步收发器的使用是关键。
UART可以及时的将计算机内部的并行数据转换为需要输出的串行数据流,同时也可以将计算机外部收集的相关串行数据信息转换为具体的字节,保证计算机内部更好的运用相关信息,也可满足并行数据器件的使用需求[1]。
2UART模块设计2.1内核模块UART内核模块属于串口通信设计的核心内容,面对数据接收的过程,应该重视内核模块发挥出的实用价值,其主要是负责着波特率发生器的控制过程,同时也关系到移位寄存器同步的接收功能,对于相关串行数据的保存有着非常重要的作用[2]。
在对相关的数据信息进行发送的时候,内核模块还是应该明确相对完整的发送序列,确保控制移位寄存器能够更好的完成加载任务,控制好波特率发生器的驱动过程,让其更好的完成串行数据的输出任务。
《基于FPGA的串口通信电路设计与实现》
《基于FPGA的串口通信电路设计与实现》摘要：信息时代的到来，给计算机等终端带来了挑战，文章以串口通信电路为研究对象，以FPGA的应用为切入点，对电路设计要点进行了归纳，例如，协议设计、串口发送等，希望能够给人以积极影响，使FPGA所拥有效能，在该领域得到应有发挥。
关键词：串口通信；FPGA；电路设计前言：首先应当明确一点，连接计算机和相关设备的通信电路，通常为串口通信电路，这是因为该电路拥有良好的可靠性，近几年，不断发展的科技，使人们对通信电路提出了更加严格的要求，通过优化电路的方式，对系统速度进行提高，成为大势所趋，这也是FPGA被用于电路设计的背景，本文所研究课题的价值不言而喻。
1协议设计通信协议指的是发生在通信双方间的约定，所约定内容主要有字符定义、数据格式及传输速度，需要通信双方严格遵守。
现有通信协议均为分层结构，高层协议被用来对校验方式、数据包格式进行定义，底层协议所强调重点为UART。
1.1高层协议FPGA向上位机所发送数据，即为上行数据，反之，上位机向FPGA所发送数据，通常被称为下行数据。
上行数据包拥有固定的数据长度，下行数据包往往以参数地址为研究重点，这是因为一旦有断电情况出现，无法保存的FPGA数据极易出现丢失情况，只有在EEPROM对数据进行保存，才能避免数据丢失，导致更加严重的后果出现[1]。
1.2底层协议研究表明，UART能否发挥作用，通常取决于起始位、停止位与波特率的设置。
目前，社会各界所认可的参数设置为：起始位对应低电平；停止位对应高电平；数据位为8bit，且不存在校验位。
而该协议的功能，可被概括如下：对数据进行发送时，用串行数据流对电路所传递并行数据进行代替，在加设停止位、起始位的基础上，以通信协议所确定波特率为依据，完成发送数据流的操作。
若要对数据进行接收，则应第一时间将停止位、起始位去掉，用字节对数据流进行代替，并向电路进行传递。
2电路设计FPGA无UART存在，UART又是组成串口通信所不可或缺的部分，通过连接电平转换芯片的方式，为数据传输提供支持。
基于FPGA的串口通信电路集成电路设计与集成系统设计
Verilog HDL是一种硬件描述语言，用于从算法级、门级到开关级的多种抽象设计层次的数字系统建模。
被建模的数字系统对象的简洁性可以介于简洁的门和完整的电子数字系统之间。
数字系统能够按层次描述，并可在相同描述中显式地进行时序建模。
Verilog HDL语言具有下述描述力气：设计的行为特性、设计的数据流特性、设计的结构组成以及包含响应监控和设计验证方面的时延和波形产生气制。
全部这些都使用同一种建模语言。
此外，Verilog HDL语言供应了编程语言接口，通过该接口可以在模拟、验证期间从设计外部访问设计，包括模拟的详细把握和运行。
Verilog HDL语言不仅定义了语法，而且对每个语法结构都定义了清楚的模拟、仿真语义。
因此，用这种语言编写的模型能够使用Verilog仿真器进行验证。
语言从C编程语言中继承了多种操作符和结构。
Verilog HDL供应了扩展的建模力气，其中许多扩展最初很难理解。
但是，Verilog HDL语言的核心子集特殊易于学习和使用，这对大多数建模应用来说已经足够。
当然，完整的硬件描述语言足以对从最简洁的芯片到完整的电子系统进行描述。
Verilog HDL语言最初是于1983年由Gateway Design Automation公司为其模拟器产品开发的硬件建模语言。
那时它只是一种专用语言。
由于他们的模拟、仿真器产品的广泛使用，Verilog HDL作为一种便于使用且有用的语言慢慢为众多设计者所接受。
在一次努力增加语言普及性的活动中，Verilog HDL语言于1990年被推向公众领域。
Open Verilog International（OVI）是促进Verilog进展的国际性组织。
1992年，OVI准备致力于推广Verilog OVI标准成为IEEE标准。
这一努力最终获得成功，Verilog 语言于1995年成为IEEE标准，称为IEEE Std 1364－1995。
完整的标准在Verilog硬件描述语言参考手册中有详细描述[1]。
基于FPGA的高速串口通信协议设计与实现
基于FPGA的高速串口通信协议设计与实现随着信息技术的不断涌现和发展，串口通信已经成为了数码设备间数据交换的重要手段。
而在当前的通信领域中，高速串口通信协议设计和实现已经成为了一个必不可少的领域。
其中，基于FPGA的高速串口通信协议设计更是受到了广泛的关注。
本文将就此问题展开深入的探讨，着重介绍了基于FPGA的高速串口通信协议的基础概念、设计模式、实现流程及其他相关内容。
一、基础概念首先，我们来了解一下什么是FPGA和串口通信。
FPGA的全称是“Field Programmable Gate Array”，是一种可编程逻辑芯片。
它能够根据设计者的要求和需求来充分发挥自己的功能特点，并且可以在不用重新设计或加工硬件的前提下灵活地改变其电路结构。
而串口通信是一种在计算机和外围设备之间进行数据交换的通信方式，可以在一根通信线上同时传输多个二进制信号，可以实现设备之间的快速、稳定的数据传输，互操作性也比较高。
基于以上两个概念，基于FPGA的高速串口通信协议设计和实现就是一种利用FPGA芯片中可编程资源的特性，以此编写通信协议，达到快速、高效地实现数据传输的过程。
二、设计模式在设计基于FPGA的高速串口通信协议时，我们通常会采用一些设计模式。
下面，我们就分别来介绍几种常见的设计模式。
1、主从模式主从模式是一种常用的通信模式，其特点是主设备控制从设备的数据传输，从设备仅向主设备传输接收到的数据。
在基于FPGA的高速串口通信协议设计中，我们可以使用主从模式实现设备之间高速的数据传输。
2、同步/异步模式同步/异步模式是根据通信时钟信号是否同步进行区分的。
在同步模式下，数据传输的时钟信号是由控制器提供的，而在异步模式下，时钟信号则是由数据本身提供的。
在基于FPGA的高速串口通信协议设计中，我们可以根据具体需求选择合适的同步/异步模式。
3、中断/轮询模式中断/轮询模式是根据不同的数据传输方式进行区分的。
在中断模式下，外部设备向中央处理器传输的数据是基于中断机制的，而在轮询模式下，则是中央处理器不断地轮询外部设备是否有数据要传输。
基于FPGA的串口通信设计
基于FPGA的串口通信设计引言：串口通信是现代计算机通信系统中的常见通信方式。
它可以在计算机和外部设备之间传输数据，具有低成本、简单易懂、可靠性高等特点。
然而，在一些应用场景下，传统的软件串口通信无法满足需求，因此使用FPGA来实现硬件串口通信变得愈发重要。
本文将重点介绍基于FPGA的串口通信设计，包括串口通信原理、FPGA硬件实现以及设计注意事项。
一、串口通信原理：串口通信的原理很简单，将数据通过一根导线（或多根导线）依次发送和接收。
它使用一个起始位、数据位（常为8位）、奇偶校验位（可选）和一个或多个停止位来组成一个数据帧。
发送数据时，串口将数据帧从最低位开始逐位发送，并在每位发送完毕后根据波特率发送下一位。
接收数据时，串口根据波特率和起始位检测到数据的到来，并从起始位开始逐位接收。
二、FPGA硬件实现：FPGA可以通过其可编程逻辑单元（FPGA的核心组件）实现硬件串口通信。
下面是基于FPGA的串口通信设计主要步骤：1.FPGA引脚分配：首先，选择合适的FPGA芯片，并确定通信所需的引脚数量。
然后，根据引脚分配表将引脚与FPGA的可编程逻辑单元相连接。
2.接口电平转换：在FPGA和外设之间可能存在电平不匹配的情况。
为了实现正确的数据传输，需要使用电平转换电路进行适配。
3.帧同步信号生成：FPGA需要生成适当的时钟信号和帧同步信号，以使数据能够正确地按位传输和接收。
帧同步信号指示数据的起始和终止。
4.数据传输实现：FPGA需要根据串口通信原理，按照波特率逐位地发送和接收数据。
在发送数据时，FPGA将数据从最低位开始逐位输出到引脚，并根据起始位、数据位、奇偶校验位和停止位生成完整的数据帧。
在接收数据时，FPGA根据时钟信号和帧同步信号，逐位地接收到达的数据，以获得完整的数据帧。
5.数据校验和处理：FPGA可以实现奇偶校验的功能，以检测接收到的数据是否正确。
此外，还可以在FPGA内部对接收到的数据进行处理，例如数据解码、错误检测等。
基于FPGA的串口通信设计 (参考样例)
高等教育自学考试毕业设计（论文）题目基于FPGA的串口设计专业班级2012级电子信息工程姓名********指导教师姓名、职称xxx 讲师所属助学单位武汉工业职业技术学院2014年 5 月 10日目录摘要 (1)1 绪论 (2)1.1 选题背景 (2)1.1.1课题相关技术的发展 (2)1.1.2 课题研究的必要性 (3)1.2 课题研究的内容 (3)2 FPGA及其开发环境简介 (3)2.1 FPGA简介 (3)2.1.1 FPGA概述 (3)2.1.2 FPGA基本结构 (4)2.1.3 FPGA系统设计流程 (4)2.1.4 FPGA开发编程原理 (6)2.2 Quartus II9.1集成开发环境简介 (6)2.3 VHDL硬件描述语言简介 (7)2.3.1 基本介绍 (7)2.3.2 VHDL系统设计的特点 (7)2.3.3 VHDL系统优势 (8)3 串口通信总体设计方案 (8)3.1串口通信的原理图 (8)3.2 设计的基本要求 (9)4 串口通信各单元电路设计 (9)4.1 RS-232发送顶层模块发送模块设计 (9)4.2 RS-232接收顶层模块设计 (13)4.3 显示模块 (17)5 总结与展望 (20)5.1 总结 (20)5.2 展望 (20)致谢 (21)主要参考文献 (22)摘要本设计用接口芯片的VHDL的设计方法，通过对MAX232串行通总线接口的设计，掌握发送与接收电路的基本设计思路，并进行串口通信。
采用VHDL语言设计分频模块、发生模块、接收模块和显示模块；用键盘输入及串口调试软件调试；拨码开关开关控制发送资料，并在串口调试软件环境下显示，数码管显示出接收到的数据。
关键词硬件描述语言；VHDL；FPGA；RS232AbstractThis design using the interface chip design method, through the VHDL for MAX232 serial links bus interface design, grasps the sending and receiving circuit design, the basic and serial interface ing VHDL language design frequency module, producing module, receiving module and display module, Use the keyboard input and serial debugging software debugging, Dial the code switch switch control, and send data in serial adjustment under software environment display, digital pipe showed received data.Keywords , VHDL, The FPGA, RS2321 绪论现代社会的标志之一就是信息产品的广泛使用，而且是产品的性能向越强，越复杂，更新越快的方向发展。
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基于FPGA的串口通信电路设计与实现
发表时间：2018-11-07T09:39:41.587Z 来源：《防护工程》2018年第17期作者：马龙[导读] 由于现代工业企业中在线监测的日益增长。
需要PC机与更多设备进行通信，串口通信具有实现简单，使用灵活。
数据传输准确等优点。
陕西烽火电子股份有限公司陕西宝鸡 721000
摘要：由于现代工业企业中在线监测的日益增长。
需要PC机与更多设备进行通信，串口通信具有实现简单，使用灵活。
数据传输准确等优点。
在工业监控和实时监控系统中得到了广泛应用。
由于监测设备的增加。
PC机原有的串口不能再满足通信的需求，传统的设计方法是使用硬件扩展八个串口，但是额外增加了硬件设计成本和实际编程的难度。
然而FPGA的UARTIP可灵活定制的优点使得基于黜的设计方法无需额外的硬件串口扩展，减少了硬件开发调试的难度，同时满足串行传输的要求。
基于此，本文主要对基于FPGA的串口通信电路设计与实现进行分析探讨。
关键词：基于FPGA；串口通信；电路设计；实现
1、前言
FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，它是作为专用集成电路领域中一种半定制电路出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
FPGA中具有丰富的触发器和I/O口，采用描述语言(VHDL和VerilogHDL)进行设计，用户可以根据需要，描述出具有各种功能的电路。
基于以上原因，我们可以利用FPGA实现多串口通信中的数据转换和中断控制功能，从而简化电路、缩小PCB面积，也可以很方便的进行升级改动和模块移植。
2、设计要求
整个设计的硬件电路以DSP和FPGA为主构架，DSP和FPGA之间通过DSP的EMIF接口连接。
其中，DSP是主处理器，用于实现串口数据的处理，FPGA作为DSP的外围电路，实现UART模块的串行数据的接收和发送、数据的串并/并串转换及接收中断的产生，同时，实现多串口的中断控制功能。
当有接收数据时，FPGA通过中断方式通知DSP。
UART模块的数据格式:波特率可以按标准波特率设置;按字节接收，每个字节前包含一个起始位(低电平，逻辑值0)，无校验位，最后是一位停止位和不定长度的空闲位(高电平，逻辑值1);接收到一个完整字节后产生一个中断(高电平，逻辑值1)，当数据被读取后，中断信号复位(低电平，逻辑值0)。
中断控制器应能实现8路UART模块的中断接收和处理，最后给DSP输出一个中断信号，输入的各中断信号之间无优先级设定。
3、设计方案
完整的设计由时钟管理模块、接口模块、UART模块和中断控制器组成。
时钟管理模块产生设计中所需各种时钟，包括主处理时钟和接收与发送的波特率时钟;接口模块实现DSP和FPGA之间的中断、读写功能;UART模块由接收和发送子模块组成，实现数据的串行接收和串行发送功能;中断控制器由中断采样子模块和中断处理子模块组成，实现8路UART中断接收和处理功能。
下面分别对这些模块的设计给予描述。
3.1 时钟管理模块
设输入FPGA的时钟为50MHz，则主处理时钟设计为50MHz。
U A R T 的接收和发送采用相同的波特率进行，本设计中采用115200b/s进行收发，这就需要对50MHz时钟进行分频以产生所需的波特率。
3.2 接口模块
接口模块连接时钟管理模块、UART模块和中断处理器，并与DSP采用EMIF总线相连接。
与DSP相关的信号有:wr_n、rd_n、cs_n、addrs、data_bus和dsp_int，在cs_n和wr_n有效时，DSP通过addrs选通不同的UART模块，将需要发送的并行数据发送给发送寄存器，执行发送功能。
DSP响应外部中断时，在cs_n和rd_n有效时，通过addrs读取中断控制器的中断矢量和UART模块接收的数据。
3.3 UART模块
3.3.1 发送模块
根据UART模块的数据格式，发送状态机如图1所示。
图 2 接收状态机
当复位信号rst_n =‘0’时，状态机初始化为空闲状态，当检测到数据线上出现由1到0的跳变沿时，即data_coming_flag =‘1’时，状态机转入接收起始位状态;在接收起始位状态中，在baud_rate=‘1’时，判断数据是否为0，如果是0，则转入数据移位状态，如果是1，则回到空闲状态;在数据移位状态中，利用baud_rate =‘1’的驱动，将串行数据依次移位，转成并行数据，每移一位，相应的计数器加1，当
cnt_bit_rx=“1000”时，转入接收停止位状态;在接收停止位状态中，在baud_rate =‘1’时，判断数据是否为1，如果是1，则转入接收结束状态，如果是0，则回到空闲状态;在接收结束状态，产生一个中断信号。
4、结语
在本设计中，基于FPGA平台实现了通用UART芯片的核心功能和中断控制器逻辑，能够满足多串口通信的需要。
该电路已运用于实际工程中，实践证明该电路结构简单、工作稳定，可运用于低速率的异步通信。
参考文献：
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[2]胡志雄，华泽玺．基于NiceⅡ的多串口转发通信处理机设计[J]．物联网技术，2011(6)：44--46．
[3]向乐乐，卢艳娥．基于NiosⅡ的多串口数据通信的实现[J]．电子设计工程，2011。
19(2)：24-26．。