基于FPGA的串口通信设计与实现

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。

通用异步接收发送器UART （Universal Asyn2chronousReceiver and Transmitter ）能够在串行方式下发送和接收数据，数据传送方式只需要一对线路就能实现远距离数据通信。

其以资源简单、传输距离远、易于实现等特点成为各种处理器的标准集成外设之一。

在实际的应用设计中，经常要用到UART 的多个主要功能，常用的标准通信波特率有9600bps 、15200bps 等。

本文使用Verilog HDL 语言将UART 器件的核心功能描述成一个异步串行数字收发模块，并且在Modelsim 上实现了其功能仿真。

1UART 原理及设计简介UART 的全称是通用异步收发器（Universal Asynchronous Receiver ／Transmitter ），是实现设备之间低速数据通信的标准协议。

“异步”指不需要额外的时钟线进行数据的同步传输，是一种串行总线接口，只需占用2根线就可以完成数据的收发（1根接收数据，1根发送数据）。

UART 一帧由起始位、数据位、校验位和停止位组成。

数据逐位传输，示意图如图1所示。

异步通信要求发送的每一帧数据都必须按照图1给定的UART 格式进行格式化。

一帧数据由4部分组成，首先是起始位“0”；接着是发送的数据（这里采用8位）；然后是可选的检验位来判断接收数据有无错误（这里选用奇检验）；最后是停止位“1”（停止位可以为1位、1.5位和2位）。

若线路上没有传输的数据，则线路始终保持为“1”，即空闲。

接收端不断检测线路状态，非接收状态下如果检测到线路由“1”变为“0”（“0”至少保持8个内部时钟周期），则认为有发送数据需接收，接收器进入接收阶段。

UART 模块总结构如图2所示。

首先，发送时按照UART 帧格式，由发送写信号启动发送波特率发生器，先发送一位起始位，然后由发送波特率发生器时钟启动发送移位寄存器，将发送数据存入发送移位寄存器，并将发送一位寄存器中的数据发送，同时由发送波特率发生器时钟启动发送数据计数器，当计数器计数到第10位时，产生奇偶校验位，此时发送奇偶校验位，计数到第11位时，发送停止位，同时产生发送完成指示信号。

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》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。

目录基于FPGA的串口设计目录任务书 (Ⅰ)开题报告 (Ⅱ)指导教师审查意见 (Ⅲ)评阅教师评语 (Ⅳ)答辩会议记录 (Ⅴ)中文摘要 (Ⅵ)外文摘要 (Ⅶ)前言 (3)1 引言 (3)1.1 课题来源 (3)1.2 课题研究的研究背景 (3)1.3 国内外的发展现状、发展趋势及存在的主要问题 (5)1.4 课题研究的指导思想与技术路线 ....................................... 错误！未定义书签。

1.5 基于FPGA串口设计的技术要求....................................... 错误！未定义书签。

2 UART原理介绍 (8)2.1UART结构和工作原理 (8)3 方案选择 (8)3.1 设计语言的选择 (9)3.2 电平转换方式的选择 ........................................................... 错误！未定义书签。

3.3 FPGA核心芯片的选择 (10)4 系统硬件设计 (11)4.1 器件芯片介绍 (11)4.2 系统硬件框图 (18)4.3 主要组成电路分析 (18)4.4 总电路图设计 (25)5 系统软件设计 (26)5.1 主程序流程图 (26)5.2 中断子程序流程图 (27)5.3 DDS控制软件设计 ............................................................ 错误！未定义书签。

5.4 AD7886 软件驱动设计 ..................................................... 错误！未定义书签。

5.5 系统源程序 (28)6 制作位移测量装置的步骤 (28)7 总结 ........................................................... - 28 -参考文献 .......................................................... - 28 -致谢 .. (31)附录1 (32)附录2 (1)附录3 (2)前言基于FPGA的串口设计冉峰:陈晓静，电子信息学院陈晓静:电子信息学院［摘要］随着微电子技术的快速发展，电子设备逐渐向着小型化.集成化方向的发展。

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。

中北大学毕业设计中期总结学生姓名：袁财源学号：1206044145 学院：仪器科学与技术专业：电子科学与技术设计题目：基于FPGA串口通信的电路和程序设计指导教师: 郭涛2015 年1月5日毕业设计中期总结MAX232芯片结构第一部分是电荷泵电路。

由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。

功能是产生+12v 和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。

第二部分是数据转换通道。

由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。

其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。

8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。

TTL/CMOS数据从11引脚（T1IN）、10引脚（T2IN）输入转换成RS-232数据从14脚（T1OUT）、7脚（T2OUT）送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从13引脚（R1IN）、8引脚（R2IN）输入转换成TTL/CMOS数据后从12引脚（R1OUT）、9引脚（R2OUT）输出。

第三部分是供电。

15脚GND、16脚VCC（+5v）。

RS232 (DB9)引脚定义1 ：DCD :载波检测。

主要用于Modem通知计算机其处于在线状态，即Modem检测到拨号音，处于在线状态。

2 ：RXD:此引脚用于接收外部设备送来的数据；在你使用Modem时，你会发现RXD指示灯在闪烁，说明RXD引脚上有数据进入。

3 ：TXD:此引脚将计算机的数据发送给外部设备；在你使用Modem时，你会发现TXD指示灯在闪烁，说明计算机正在通过TXD引脚发送数据。

4 ：DTR:数据终端就绪；当此引脚高电平时，通知Modem可以进行数据传输，计算机已经准备好。

5 ：GND:信号地；此位不做过多解释。

6 ：DSR:数据设备就绪；此引脚高电平时，通知计算机Modem已经准备好，可以进行数据通讯了。

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。