串行异步通信程序设计

基于FPGA的异步串行通信的实现【摘要】随着FPGA的飞速发展，在异步串行通信中FPGA发挥着越来越重要的作用。

本文基于Altera公司的FPGA芯片，采用Verilog硬件描述，给出了帧同步的提取方法，成功地提取了同步信号位和数据位。

【关键词】FPGA；Verilog；帧同步0 引言异步串行通信要求的传输线少、可靠性高、传输距离远，被广泛应用于计算机和外设的数据交换。

异步串行通信是以帧为单位，每帧按照通信协议进行传输，并且数据的发送端和接收端都使用各自的时钟控制数据的发送和接收过程[1]；接收端先数据解调，然后将有效数据传输给终端设备。

对于接收端的数据解调，首先要从数据流中提取同步信号位信息，然后提取数据位信号。

同步信号位信息提取性能的好坏直接影响到整个数据的解调质量，甚至影响整个通信系统的性能[2]。

传统的帧设计很难做到位同步，随着FPGA 的飞速发展及Verilog语言的出现，用FPGA来实现同步信号位的提取，不仅简化了电路、缩小了体积、提高了可靠性，而且设计时的灵活性更大、保密性更好。

1 通信协议及接收思路FPGA的输入是485收发器传输过来的信号rxd，并不是标准的485通信协议，其帧结构如图1所示，其特点如下：图1 输入信号rxd波形（1）每一帧长度固定为25位；（2）波特率为1Mbit/s；（3）每一帧由同步信号位和数据位组成，前13位为1111111111110的二进制同步序列，后12位为数据位；（4）当矩形脉冲信号占空比为75%时，表示数据“1”；当矩形脉冲信号占空比为25%时，表示数据“0”。

FPGA接收信号的步骤如下：（1）先检测输入信号每一位数据的上升沿，当检测到输入信号的上升沿，把输入采样信号tb_zhen置1，并开始计数，当计数计到输入信号每一位的中间位置时，把tb_zhen置0，保证每次采样都是在每一位数据的中点处，可以得到一组与输入同步的30%占空比的方波信号tb_zhen；（2）在tb_zhen下降沿的时候，开始读取输入信号电平，此时得到的逻辑电平就认为是输入信号的电平信号，读取的信号电平较输入有0.5us的延时；（3）帧同步的提取，可以考虑采用有限状态机实现帧同步，也可以采用队列模式实现，当13位寄存器中出现1111111111110时，就认为同步完成，数据位已经到来；（4）当检测到同步完成后，开始接收和发送数据，当下一次同步完成时，进行下一轮数据的接收和发送。

MCU与PC串行通信设计首先，我们需要确定通信协议和接口。

在串行通信中，常用的协议包括UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器），SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）和I2C （Inter-Integrated Circuit，多主机串行总线）等。

接下来，我们需要确定硬件连线。

对于UART，我们需要连接MCU和PC的TX（传输）和RX（接收）引脚。

对于SPI和I2C，我们需要连接MCU和PC的SCLK（时钟）、MISO（主输入从输出）和MOSI（主输出从输入）等引脚。

同时，我们还需要为每个设备分配一个唯一的地址，以便在通信过程中进行识别和寻址。

当硬件连线完成后，我们可以开始编写代码并进行软件配置。

首先，在MCU端，我们需要配置相应的通信模块（UART/SPI/I2C），设置通信速率（波特率）、传输模式、数据位数等参数。

接下来，我们可以编写发送数据和接收数据的函数，以实现与PC之间的通信。

具体来说，在PC端的串行通信程序中，我们需要打开对应的串口，并进行相应的配置（波特率、数据位数、校验位等）。

然后，我们可以使用读取和写入函数来实现从MCU接收数据和向MCU发送数据的功能。

在读取数据时，我们可以选择阻塞或非阻塞模式，以及设定超时时间等。

在通信过程中，我们可以使用不同的数据格式进行传输，如ASCII码、二进制码或者自定义的协议格式。

对于ASCII码，我们可以通过字符的编码和解码来实现数据的传输。

对于二进制码，我们可以使用位操作来实现数据的传输。

而对于自定义的协议格式，我们可以根据具体应用的需求来设计数据结构和解析方式。

此外，为了提高通信的可靠性和稳定性，我们还可以添加一些错误检测和纠错功能。

对于UART和SPI等协议，可以使用校验位（如奇偶校验位、校验和等）来检测和纠正数据传输中的错误；对于I2C协议，可以使用应答信号和重试机制来实现错误处理。

一、实验目的1. 理解串行通讯的基本原理和通信方式。

2. 掌握串行通讯的硬件设备和软件实现方法。

3. 学会使用串行通讯进行数据传输。

4. 通过实验，提高动手能力和分析问题、解决问题的能力。

二、实验原理串行通讯是指用一条数据传输线将数据一位一位地按顺序传送的通信方式。

与并行通讯相比，串行通讯具有线路简单、成本低等优点。

串行通讯的基本原理如下：1. 异步串行通讯：每个字符独立发送，字符间有时间间隔，不需要同步信号。

每个字符由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位组成。

2. 同步串行通讯：数据块作为一个整体发送，需要同步信号。

同步串行通讯分为两种方式：面向字符方式和面向比特方式。

三、实验设备1. 计算机：一台2. 串行通讯设备：串行数据线、串行接口卡、串口调试助手等3. 单片机实验平台：一台4. 数码管显示模块：一个四、实验内容1. 异步串行通讯实验（1）硬件连接：将计算机的串口与单片机实验平台的串行接口连接。

（2）软件设计：编写程序，实现单片机向计算机发送数据，计算机接收数据并显示在屏幕上。

（3）实验步骤：a. 设置串行通信参数：波特率、数据位、停止位、奇偶校验位等。

b. 编写发送程序，实现单片机向计算机发送数据。

c. 编写接收程序，实现计算机接收数据并显示在屏幕上。

2. 同步串行通讯实验（1）硬件连接：与异步串行通讯实验相同。

（2）软件设计：编写程序，实现单片机向计算机发送数据块，计算机接收数据块并显示在屏幕上。

（3）实验步骤：a. 设置串行通信参数：波特率、数据位、停止位、奇偶校验位等。

b. 编写发送程序，实现单片机向计算机发送数据块。

c. 编写接收程序，实现计算机接收数据块并显示在屏幕上。

3. 双机通讯实验（1）硬件连接：将两台单片机实验平台通过串行数据线连接。

（2）软件设计：编写程序，实现两台单片机之间相互发送和接收数据。

（3）实验步骤：a. 设置串行通信参数：波特率、数据位、停止位、奇偶校验位等。

UART控制器设计UART（通用异步收发传输）控制器是一种常见的串行通信接口，它被广泛应用于微控制器、传感器、通信模块等电子设备中。

UART控制器通过将并行数据转换为串行数据进行传输，实现了设备之间的串行通信。

本文将对UART控制器的设计进行详细介绍，包括其工作原理、主要功能、硬件设计和软件设计。

一、工作原理：1.发送数据时，UART控制器将要发送的数据按照指定格式进行编码，包括起始位、数据位、校验位和停止位等。

2.编码后的数据通过串口线发送至接收设备。

3.接收设备接收到数据后，解码数据，恢复为原始的并行数据。

二、主要功能：1.数据发送：用户通过将待发送的数据写入发送缓冲区，UART控制器将缓冲区中的数据按照指定格式进行编码，并通过串口线发送至接收设备。

2.数据接收：UART控制器从接收缓冲区中获取接收到的数据，并将其解码，恢复为原始的并行数据，供用户使用。

三、硬件设计：1.时钟控制：UART控制器需要一个时钟源，用来同步发送和接收数据。

时钟源可以是外部晶体振荡器或者其他可靠的时钟信号。

2.发送电路：发送电路包括发送缓冲区、发送数据编码器和串口线驱动电路。

发送缓冲区用来存储待发送的数据，发送数据编码器将待发送的数据按照指定格式进行编码，串口线驱动电路将编码后的数据通过串口线发送至接收设备。

3.接收电路：接收电路包括接收缓冲区、接收数据解码器和串口线接收电路。

接收缓冲区用来存储接收到的数据，接收数据解码器将接收到的数据解码，并恢复为原始的并行数据，供用户使用。

串口线接收电路用来接收串口线上的数据，并将其输入到接收缓冲区。

四、软件设计：1.数据的发送和接收：用户可以通过写入发送缓冲区实现数据的发送，也可以通过读取接收缓冲区实现数据的接收。

发送数据编码器和接收数据解码器的设置需要在软件中进行。

2.中断处理：UART控制器可以使用中断机制进行数据的发送和接收。

在发送和接收缓冲区有数据时，可以产生相应的中断请求，软件在中断服务程序中进行数据的发送和接收。

实验四 串行通信实验一、实验目的1．了解51单片机串行口的结构、串行通讯的原理。

2．掌握51单片机与PC 机之间通讯的方法。

3. 学习系统应用程序的设计和调试二、实验设备PC 机一台 、 实验教学板一块。

三、实验原理51单片机的串行接口是全双工的，它能做异步接收器/发送器（UART ），也能做同步移位寄存器使用。

在做UART 使用时，相关的寄存器有SBUF 、SCON 、和PCON 中的波特率倍增位SMOD 。

SBUF 是数据发送缓冲器和接收缓冲器，逻辑上用同一个地址，物理上是分开的，用读写操作来选择。

SCON 是串行口控制寄存器，用于设定串行口的工作方式；保存方式2和方式3的第9位数据；存放发送、接收的中断标志。

在串行通讯的方式1和方式3中，通信的波特率是可以设置的，满足下式：2/132SMOD=⨯波特率（定时器计数器的溢出率）PC 机的串行通讯口是借助通用异步接收发送器8250（或16C550等）实现的，可使用comdebug.exe 等提供了有关串行口的收、发操作窗口的软件实现通讯。

PC 机的串行通讯采用RS232电平，因此要求单片机的实验板也要配置RS232接口，解决逻辑电平的配接。

如果通讯距离较远，则要配接调制解调器。

四、实验内容1， 自发自收用一根短路线，将实验板中RS232插口的RXD 和TXD 两个插孔短路。

然后编程设定串行口为工作方式1，传送55H 和0AAH 两个数据。

实验要求：程序采用查询方式。

每传送、接收一个数据，做一次检查，看是否正确，若两次都正确，则在显示器上显示“GOOD”，若不正确，则不显示，并要重新传送。

2， 单片机与PC 机的通信先使用通讯电缆将单片机的RS232接口与PC 机的COM1口连接，PC 机起动并运行comdebug.exe 软件，窗口上设置波特率为1200，8位数据、一个停止位。

单片机端也采用工作方式1，波特率为1200，完成单片机与PC 机的通信。

单片机双机之间的串行通信设计1.引言单片机双机之间的串行通信是指两个或多个单片机之间通过串口进行数据传输和通信的过程。

串行通信是一种逐位传输数据的方式，与并行通信相比，它占用的硬件资源更少，且传输距离较远。

本文将介绍单片机双机之间串行通信的设计过程，包括硬件设计和软件编程。

2.硬件设计串行通信需要使用到两个主要的硬件部件：串口芯片和通信线路。

串口芯片负责将要发送或接收的数据转换成串行数据流，并通过通信线路进行传输。

通信线路通常包括两根传输数据的线路（TX和RX）、地线和时钟线。

2.1串口芯片的选择常用的串口芯片有MAX232、MAX485、CH340等。

选择合适的芯片需要考虑通信距离、通信速率、系统的功耗等因素。

对于较短的通信距离和较低的通信速率，可以选择MAX232芯片；而对于长距离通信和较高的通信速率，可以选择MAX485芯片。

2.2通信线路设计通信线路的设计需要考虑信号的传输质量和抗干扰能力。

通常使用双绞线或者屏蔽线路来减小信号的串扰和干扰。

对于短距离通信，双绞线即可满足需求；而对于长距离通信，需要采用屏蔽线路来减小串扰和干扰。

3.软件设计串行通信的软件设计主要包括通信协议的制定和数据包的格式规定。

3.1通信协议的选择通信协议是指数据传输的一套规则和约定，它规定了数据的格式、传输顺序、误码校验等内容。

常用的通信协议有UART、RS232、SPI、I2C等。

UART是最常用的通信协议，它一般使用异步通信方式，并具有较高的通信速率和稳定性。

3.2数据包的格式规定数据包是一组有意义的数据的集合，它包括起始位、数据位、停止位和校验位等。

起始位用于标识一个数据包的开始，通常为逻辑低电平；数据位用于存储要传输的数据；停止位用于标识数据包的结束，通常为逻辑高电平；校验位用于检测数据传输过程中是否发生错误。

校验位可以是奇校验、偶校验、无校验等。

4.实验步骤4.1连接硬件根据硬件设计部分的要求，将串口芯片和通信线路连接到单片机上。