基于FPGA串口通信的电路和程序设计

浅谈一种基于FPGA的双冗余422串口通信方法及实现作者：孙广海来源：《科学与信息化》2020年第27期摘要对于任何设备而言，无不重视对外交互接口的时效性和正确性。

如何在有限的资源条件下保证通信的实时性和正确性成了通信设计的关注重点。

本文介绍了一种基于FPGA实现双冗余422串口通信方法。

关键词 FPGA;双冗余;实时性;正确性1 技术领域本方法涉及电子对抗领域，尤其是电子对抗中与外部接口通信处理，具体而言涉及一种基于FPGA的双冗余422串口通信方法设计。

本方法提供一种基于FPGA的双冗余RS422通信方法及实现，该方法采用FPGA实现了双路RS422串口通信的冗余备份，同时解决了每路RS422串口通信的主/从应答机制，提高了通信的实时性，同时降低了应用层任务处理资源的消耗[1]。

2 背景技术在现代电子对抗中，无论对于哪种系统设备而言，与外部接口通信都是关键环节。

接收外部命令消息，上报自身设备信息都必须依赖于外部接口，所以外部接口通信尤其要保证稳定、高效。

随着近年来电子技术的发展，雷达体制和信号形式变得越来越复杂而多样，战场空间电磁密度不断提升。

各型设备上报的信息越来越复杂，数据量越来越大，对外部接口设计的实时性要求越来越高。

而由于受限与平台总线形式和外部接口通信协议，通信方法设计难度随之提升，且重要性不言而喻。

下面介绍某型平台上某型设备对外通信方法设计。

该型直升机机上配置的是RS422总线，机上综合任务系统与某型设备系统（以下简称设备系统）通过两路RS422实现通信，两路RS422为双冗余关系。

为实现每路RS422通信的可靠性，定义通信协议为点对点的主/从应答式全双工422通信（传输周期50ms），综合任务系统为主端，设备系统为从端。

主端主动发送通信消息，从端在接收到主端发送的消息时，按照消息块号判断主端发送报文的正确性，正确则发送自身需上报的消息，主端接收到从端发送的消息报文时，根据从端发送的消息块号判断从端发送报文的正确性，正确则发送下一包报文，否则，重新发送当前报文。

基于FPGA和W5500的串口数据切换系统研究与设计基于FPGA和W5500的串口数据切换系统研究与设计摘要：串口作为一种常见的通信接口，在嵌入式系统中广泛应用。

本文基于FPGA（Field Programmable Gate Array）和W5500芯片，设计了一种串口数据切换系统。

该系统能够实现多个串口的数据交换和切换操作，并具备高速传输和稳定性。

关键词：FPGA，W5500，串口，数据切换1. 引言串口是一种用于在设备之间进行数据传输的通信接口，在各种嵌入式系统中得到广泛应用。

然而，常见的串口接口数量有限，无法满足复杂系统对多串口的需求。

为了解决这一问题，本文提出了一种基于FPGA和W5500芯片的串口数据切换系统。

2. FPGA和W5500芯片简介2.1 FPGAFPGA是一种可编程逻辑器件，可以根据需求进行编程，实现不同的电路功能。

其灵活性和高度可定制性使得FPGA成为嵌入式系统设计的重要工具。

2.2 W5500芯片W5500是一种以太网控制器，其集成了MAC（Media Access Control）和PHY（Physical Layer）功能。

该芯片能够实现高速数据传输，并支持TCP/IP协议栈。

3. 系统设计3.1 硬件设计本系统使用FPGA作为核心控制器，通过FPGA与多个串口通信。

为了实现数据切换，本文引入W5500芯片，利用其高速传输和稳定性，实现串口数据的交换和切换。

具体的硬件设计包括FPGA和W5500的连接，以及串口与W5500的连接。

3.2 软件设计本系统的软件设计主要包括FPGA的逻辑设计和W5500的驱动程序设计。

FPGA的逻辑设计根据具体需求，编写程序实现串口数据的交换和切换。

W5500的驱动程序设计则包括数据的接收和发送等功能。

4. 系统性能测试为了验证本系统的性能，对其进行了多方面的测试。

首先，测试系统能够稳定运行并实现串口数据的交换和切换。

其次，测试系统的数据传输速度和实时性，确保系统能够满足实际应用的需求。

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的串口通信设计学号：姓名：班级：指导教师：电子与控制工程学院一、串行通信系统1.1概述在计算机系统和微机网络的快速发展领域里串行通信在数据通信及控制系统中得到广泛的应用。

UART 即Universal AsynchronousReceiver Transmitter 通用异步收发器 协议是数据通信及控制系统中广泛使用的一种全双工串行数据传输协议 在实际工业生产中有时并不使用UART的全部功能。

只需将其核心功能集成即可。

波特率发生器、接收器和发送器是UART的三个核心功能模块 利用Verilog-HDL语言对这三个功能模块进行描述并加以整合UART是广泛使用的串行数据传输协议。

UART允许在串行链路上进行全双工的通信。

串行外设用到RS232-C异步串行接口 一般采用专用的集成电路即UART实现。

如8250、8251、NS16450等芯片都是常见的UART器件 这类芯片已经相当复杂有的含有许多辅助的模块 如FIFO有时我们不需要使用完整UART的功能和这些辅助功能。

或者设计上用到了FPGA/CPLD器件那么我们就可以将所需要的UART功能集成到FPGA内部。

使用VHDL或Veriolog -HDL将UART的核心功能集成从而使整个设计更加紧凑、稳定且可靠。

本文应用EDA技术 基于FPGA/CPLD器件设计与实现UART。

通信指人与人或人与自然之间通过某种行为或媒介进行的信息交流与传递从广义上指需要信息的双方或多方在不违背各自意愿的情况下无论采用何种方法使用何种媒质 将信息从某方准确安全传送到另方。

通信在不同的环境下有不同的解释在出现电波传递通信后通信(Communication)被单一解释为信息的传递是指由一地向另一地进行信息的传输与交换其目的是传输消息。

然而通信是在人类实践过程中随着社会生产力的发展对传递消息的要求不断提升使得人类文明不断进步。

在各种各样的通信方式中利用“电”来传递消息的通信方法称为电信(Telecommunication) 这种通信具有迅速、准确、可靠等特点且几乎不受时间、地点、空间、距离的限制 因而得到了飞速发展和广泛应用。

基于FPGA的接口转换电路设计摘要：21世纪是信息化的世纪，计算机技术迅速发展，越来越多的计算机采用传输速率更快且性能更加优良的USB接口，而个人计算机上的RS232，正在逐渐被淘汰。

但在工业领域中RS232应用仍十分广泛。

本文在此应用背景下，研究和设计USB与RS232之间的接口转换电路，硬件开发采用了SOPC设计，添加不同功能的模块，构建NIOSII系统，在QuartuII中完成硬件开发，而软件开发在NIOSIIIDE中完成，利用FPGA 平台，实现USB与RS232之间的接口转换，实现上位控制计算机与底层设备之间的数据通信。

关键词：USB接口；RS232接口；FPGA；SOPC随着计算机科学技术的迅速发展，如今对计算机的数据通信速度有了更高的要求，因此计算机的外围接口也发展迅速。

由于USB在个人计算机上应用越来越广泛，逐渐淘汰了RS232，但目前仍然很多采用RS232串行接口的工业设备、仪器仪表领域中，考虑到可行性和成本原因，立即将这些设备改造成USB接口是不可行的。

因此本文选择在FPGA开发平台下实现USB转RS232接口，通过这样将计算机与传统的设备相连，实现USB与RS232接口的双向数据传输，同时也扩大了USB的传输距离。

一、基于FPGA嵌入式IP的SOPC系统基于FPGA的嵌入式IP硬核SOPC系统是在FPGA中预先植入NIOS处理器。

为了更好的通用性，必须将常规的嵌入式处理器集成诸多通用和专用的接口，但这样又不得不增加芯片的成本和功耗。

但如果将ARM或者其他处理器核以IP硬核的方式植入FPGA中，利用FPGA的可编程逻辑资源和可擦除性，按照系统功能需求来添加接口功能模块，如USB模块和RS232模块，既能实现目标系统功能，又能实现系统的低成本和低功耗。

这样使得FPGA灵活的硬件设计与处理器的强大软件功能有机地结合在一起，更有效地实现SOPC系统。

虽然基于FPGA嵌入IP硬核能有效降低系统成本和功耗，但也有不足之处：（1）IP硬核多来自第三方公司。

基于FPGA的智能串行通信板卡的设计与实现王剑博;胡晓吉【摘要】串行通信模块是每台计算机所必须的对外通信模块的一部分，但由于串行通信协议较多，串行接口也较多，所以，往往这部分模块需要占用较多的体积和资源。

将RS 232，RS 422和RS 485三种串行协议和同异步两种串行传输方式通过FPGA兼容于一块智能通信板卡上，通过上位机控制界面的控制，完成对8路串行通道的配置，并介绍了板卡的总体结构及硬件设计，展示了上位机控制界面的通信效果。

结果表明，该智能串行通信卡能够很好地完成多协议多方式的串行通信之间的切换，达到了预期的效果。

%Serial communication module is a part of external communication module which is necessary for every computer. However,because of too many serial communication protocols and interfaces,more resources and volumes are always occupied by the serial communication module. In this paper,three serial communication protocols(RS⁃232,RS 422 and RS 485)are com⁃patible with two serial communication modes (UART and HDLC) into an intelligent communication board through FPGA. The configuration of eight serial communication channels is completed under the control of the control interface of upper computer. The overall structure and the hardware design of the communication board are introduced in this article. At last,the communica⁃tion result of the upper computer control interface is displayed. The conclusion proves that this intelligent serial communication board can execute the switching between multi⁃protocol andmulti⁃mode,and meet the requirements of different kinds of serial communication as expected.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2015(000)007【总页数】4页(P39-42)【关键词】串行通信;串行协议;串行方式;FPGA;智能串行通信卡【作者】王剑博;胡晓吉【作者单位】华北计算技术研究所加固计算机产品事业部，北京 100083;华北计算技术研究所加固计算机产品事业部，北京 100083【正文语种】中文【中图分类】TN911-34串行通信作为计算机与其他设备之间广泛使用的一种通信方式，具有开发简单，抗干扰性强，传输距离远的特点。

在FPGA中实现RS485通信，需要控制发送方和接收方的差分信号输出和输入。

以下是一个基本的步骤：
1. 定义输入输出端口：在Verilog代码中，通过定义不同的输入输出端口来实现发送和接收功能。

2. 编码数据：发送方将要发送的数据通过编码后转换成差分信号输出。

常用的编码方式有NRZ（非归零码）、Manchester码等。

3. 接收数据：接收设备检测到双绞线上的RS485电平的每一个单bit数据，将其转换为普通的TTL电平信号，并通过接收器输出脚送给UART控制器的接收脚。

4. 解码数据：UART控制器将接收脚上的每一个单bit信号按照UART协议进行接收解码，得到以字节为单位的实际数据。

5. 数据解析：MODBUS协议栈将UART接收到的多个字节数据进行解析得到完整的数据帧，并解帧得到实际的数据部分。

在实际应用时，MODBUS协议栈一般由CPU通过软件方式实现。

以上步骤仅供参考，建议咨询专业人士获取具体信息。

基于FPGA的串口通信电路设计[摘要]串行通信接口是一种应用广泛的通信接口。

目前，大部分处理器都集成了支持rs-232接口的通用异步收发器，本文基于fpga开发板设计了一个串口数据采集和处理程序，介绍了用verilog hdl硬件描述语言来开发波特率发生器、接收模块和发送模块这三个模块，以及系统各个模块的具体设计方法和原理，用quartus ii软件进行仿真并给出结果，分别验证各个模块的正确性及用fpga实现串行通信的可行性。

[关键词]串行通信 rs-232 verilog hdl fpga中图分类号：tn 文献标识码：a 文章编号：1009-914x（2013）08-320-011.fpga概述fpga现场可编程逻辑门阵列是数字系统设计的主要硬件平台，其主要特点是完全由用户通过软件进行配置和编程，从而完成某种特定的功能，且可以反复擦写。

fpga具有运算速度快、根据需求在内部嵌入硬/软ip核，以及反复编程，擦写，使用的特点，被广泛应用于通信，数字信号处理，工业控制等领域。

2.rs232串口通信接口串口即串行数据接口主要用于网管控制或主业务数据的传输，支持数据的双向传输，速率9600-115200bps，即可以完成和pc的通信，也可以完成与带有标准串口的外设相连。

其中串口接口分为带插孔和带插针的两种，其中插针端称为dce，插孔端称为dte。

3.串口通信的verilog hdl实现本设计要求在fpga开发板上实现波特率为115200bps，停止位为1比特、1比特校验位的串口通信，并要求和pc机通过串口调试助手完成双向通信。

3.1波特率发生器模块的verilog hdl实现波特率发生器实际上是一个分频器，从给定的系统时钟频率得到要求的波特率。

一般来讲，为了提高系统的容错性处理，要求波特率发生器的输出时钟为实际串口数据波特率的n倍，n可以取值为8、16、32、64等。

在本设计中，系统的时钟为50mhz，取n为16，则分频系数为50000000/（16*115200）=27.127，取整为27。

FPGA实现串行接口RS232时间:2007-06-29 来源: 作者: 点击：26463 字体大小:【大中小】-串行接口(RS-232)串行接口是连接FPGA和PC机的一种简单方式。

这个项目向大家展示了如果使用FPGA来创建RS-232收发器。

整个项目包括5个部分RS232是怎样工作的如何产生需要的波特率发送模块接收模块应用实例RS-232接口是怎样工作的作为标准设备，大多数的计算机都有1到2个RS-232串口。

特性RS-232有下列特性:使用9针的"DB-9"插头(旧式计算机使用25针的"DB-25"插头).允许全双工的双向通讯(也就是说计算机可以在接收数据的同时发送数据).最大可支持的传输速率为10KBytes/s.DB-9插头你可能已经在你的计算机背后见到过这种插头它一共有9个引脚，但是最重要的3个引脚是:引脚2: RxD (接收数据).引脚3: TxD (发送数据).引脚5: GND (地).仅使用3跟电缆，你就可以发送和接收数据.串行通讯数据以每次一位的方式传输；每条线用来传输一个方向的数据。

由于计算机通常至少需要若干位数据，因此数据在发送之前先“串行化”。

通常是以8位数据为1组的。

先发送最低有效位，最后发送最高有效位。

异步通讯RS-232使用异步通讯协议。

也就是说数据的传输没有时钟信号。

接收端必须有某种方式，使之与接收数据同步。

对于RS-232来说，是这样处理的:串行线缆的两端事先约定好串行传输的参数（传输速度、传输格式等）当没有数据传输的时候，发送端向数据线上发送"1"每传输一个字节之前，发送端先发送一个"0"来表示传输已经开始。

这样接收端便可以知道有数据到来了。

开始传输后，数据以约定的速度和格式传输，所以接收端可以与之同步每次传输完成一个字节之后，都在其后发送一个停止位("1")让我们来看看0x55是如何传输的:0x55的二进制表示为：01010101。

FPGA实现UART串⼝通信实验1. UART串⼝简介 串⼝是“串⾏接⼝”的简称，即采⽤串⾏通信⽅式的接⼝。

串⾏通信将数据字节分成⼀位⼀位的形式在⼀条数据线上逐个传送，其特点是通信线路简单，但传输速度较慢。

因此串⼝⼴泛应⽤于嵌⼊式、⼯业控制等领域中对数据传输速度要求不⾼的场合。

本实验我们将使⽤FPGA开发板上的UART串⼝完成上位机与FPGA的通信。

串⾏通信分为两种⽅式：同步串⾏通信和异步串⾏通信。

同步串⾏通信需要通信双⽅在同⼀时钟的控制下，同步传输数据； 异步串⾏通信是指通信双⽅使⽤各⾃的时钟控制数据的发送和接收过程。

UART是⼀种采⽤异步串⾏通信⽅式的通⽤异步收发传输器（universal asynchronous receiver-transmitter），它在发送数据时将并⾏数据转换成串⾏数据来传输，在接收数据时将接收到的串⾏数据转换成并⾏数据。

UART串⼝通信需要两根信号线来实现，⼀根⽤于串⼝发送，另外⼀根负责串⼝接收。

UART在发送或接收过程中的⼀帧数据由4部分组成，起始位、数据位、奇偶校验位和停⽌位，如图所⽰。

其中，起始位标志着⼀帧数据的开始，停⽌位标志着⼀帧数据的结束，数据位是⼀帧数据中的有效数据。

校验位分为奇校验和偶校验，⽤于检验数据在传输过程中是否出错。

奇校验时，发送⽅应使数据位中1的个数与校验位中1的个数之和为奇数；接收⽅在接收数据时，对1的个数进⾏检查，若不为奇数，则说明数据在传输过程中出了差错。

同样，偶校验则检查1的个数是否为偶数。

异步串⾏通信数据格式UART通信过程中的数据格式及传输速率是可设置的，为了正确的通信，收发双⽅应约定并遵循同样的设置。

数据位可选择为5、6、7、8位，其中8位数据位是最常⽤的，在实际应⽤中⼀般都选择8位数据位；校验位可选择奇校验、偶校验或者⽆校验位；停⽌位可选择1位（默认），1.5或2位。

串⼝通信的速率⽤波特率表⽰，它表⽰每秒传输⼆进制数据的位数，单位是bps（位/秒），常⽤的波特率有9600、19200、38400、57600以及115200等。

基于FPGA的串口通讯设计摘要：随着现代信息技术的发展，基于fpga的串口通讯设计以及应用在现实中逐渐的推广开来。

串口通讯是电子测控技术中的一个重要应用环节，串口通讯接口也是通讯装置中的一个重要接口，对于通讯装置设备有着重要的作用。

本文主要论述基于fpga的串口通讯设计在实际应用中的可行性以及基于fpga的串口通讯系统的主要组成模块与设计。

关键词：串口通讯 fpga 测控技术设计系统模块随着现代信息技术的发展，基于fpga的串口通讯设计以及应用在现实中逐渐的推广开来。

串口通讯是电子测控技术中的一个重要应用环节，串口通讯接口也是通讯装置中的一个重要接口，对于通讯装置设备有着重要的作用。

本文主要论述基于fpga的串口通讯设计在实际应用中的可行性以及基于fpga的串口通讯系统的主要组成模块与设计。

1、串口通讯的特征串口通讯是串行通信的一个重要通讯接口。

串行通讯是一种使用一根通讯传输线进行数据信息的传输，在进行通讯传输的过程中，进行串行通讯的传输线路根据其在数据信息传输过程中的作用，它既是一根数据传输线，也是一根用来作为联络的通讯线路。

串行通讯在进行数据信息传递的过程中，虽然进行数据信息传输的线路只有一根，但是在进行数据信息传输的过程中，串行通讯还可以使用现有的电话网络进行数据信息的传输。

因此，在通讯系统中，串行通讯的通讯方式对于远距离的数据信息通讯与传递特别适用。

在使用串行通信进行通信传输的过程中，对于进行通讯传输的数据信息都是按照相关的通讯传输要求以及标准进行传输的，相关的串行通讯传输的要求标准中对于数据信息的传输过程中的数据信息格式以及数据信息传输方式、数据信息传输速度、数据信息传输步骤等都有明确的规定，在使用串行通信方式进行数据信息的传输过程中应对于相关规定的要求标准等进行遵守。

基于fpga的串口通讯设计在实际应用中不仅可以实现将通讯系统需要的集成电路芯片进行集中编程设计，一定程度上节省了通讯电路空间，而且这种基于fpga的串口通讯系统在设计过程中具有一定的灵活性、在运行过程中具有很大的可靠性。