FPGA入門基礎(chǔ)之UART串口通信設(shè)計(jì)

引言：UART是一種通用串行數(shù)據(jù)總線，用于異步通信。該總線雙向通信，可實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸和接收。UART通常用來實(shí)現(xiàn)與PC之間數(shù)據(jù)通信，命令和控制信息的傳輸?shù)?。本文我們介紹UART通信協(xié)議、傳輸時(shí)序及如何利用HDL編程實(shí)現(xiàn)FPGA與PC通信。

1.異步串行通信的理解

首先需要介紹幾個(gè)概念。

通信協(xié)議：指雙方實(shí)體完成通信或服務(wù)所必須遵循的規(guī)則和約定。交流什么、怎樣交流及何時(shí)交流，都必須遵循某種互相都能接受的規(guī)則。這個(gè)規(guī)則就是通信協(xié)議。

串行通信：是指通信雙方按位進(jìn)行，遵守時(shí)序的一種通信方式。串行通信中，將數(shù)據(jù)按位依次傳輸，每位數(shù)據(jù)占據(jù)固定的時(shí)間長度，即可使用少數(shù)幾條通信線路就可以完成系統(tǒng)間交換信息，特別適用于計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的遠(yuǎn)距離通信。

異步通信：它是對于同步通信來說的，異步通信在發(fā)送字符時(shí)，所發(fā)送的字符之間的時(shí)隙可以是任意的，當(dāng)然，接收端必須時(shí)刻做好接收的準(zhǔn)備（如果接收端主機(jī)的電源都沒有加上，那么發(fā)送端發(fā)送字符就沒有意義，因?yàn)榻邮斩烁緹o法接收）。發(fā)送端可以在任意時(shí)刻開始發(fā)送字符，因此必須在每一個(gè)字符的開始和結(jié)束的地方加上標(biāo)志，即加上開始位和停止位，以便使接收端能夠正確地將每一個(gè)字符接收下來。

2.UART通信協(xié)議介紹

UART使用的是異步串行通信機(jī)制，其數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議格式如下圖所示。

圖1：UART數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議格式

其中各位的含義如下：

起始位：先發(fā)出一個(gè)邏輯”0”信號，表示傳輸字符的開始。

數(shù)據(jù)位：可以是5~8位邏輯”0”或”1”。如ASCII碼（7位），擴(kuò)展BCD碼（8位）。

校驗(yàn)位：數(shù)據(jù)位加上這一位后，使得“1”的位數(shù)應(yīng)為偶數(shù)(偶校驗(yàn))或奇數(shù)(奇校驗(yàn))；數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)位是可以選擇的，如果不使用奇偶，那么就沒有這個(gè)數(shù)據(jù)位。

停止位：它是一個(gè)數(shù)據(jù)字段的結(jié)束標(biāo)志?？梢允?位、1.5位、2位的高電平。

空閑位：處于邏輯“1”狀態(tài)，表示當(dāng)前線路上沒有數(shù)據(jù)信息傳輸。

UART數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議格式，通常需要在收發(fā)設(shè)備提前定義好，如傳輸數(shù)據(jù)的位數(shù)、是否需要校驗(yàn)位、停止位。另外還一個(gè)重要的參數(shù)就是數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/497736.html">波特率。

圖2：常見標(biāo)準(zhǔn)波特率

UART數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣韧ǔＳ貌ㄌ芈蕘砗饬?。在一?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/530346.html">串口通信過程中，數(shù)據(jù)接收與發(fā)送雙方?jīng)]有共享時(shí)鐘，因此，雙方必須協(xié)商好數(shù)據(jù)傳輸波特率。根據(jù)雙方協(xié)議好的傳輸速率，相鄰bit的時(shí)間間隔就會固定下來，接收端即可對發(fā)送端的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。

標(biāo)準(zhǔn)波特率：包括2400bps、4800bps、9600bps、19200bps、38400bps、57600bps、115200bps等。當(dāng)然更塊的速度意味著對采樣的要求更高，有可能誤碼率會逐漸提高。

3.數(shù)據(jù)傳輸工作流程

本文設(shè)定傳輸協(xié)議為：1位起始位+8位數(shù)據(jù)位+1位結(jié)束位，無奇偶校驗(yàn)位，傳輸波特率為9600bps。

（1）發(fā)送端按照預(yù)先設(shè)定好的傳輸協(xié)議及波特率，發(fā)送端依次發(fā)送：

1bit數(shù)據(jù)起始位+8bit數(shù)據(jù)位+1bit停止位

其中，起始位為邏輯 0（低電平） ，結(jié)束位為邏輯 1（高電平） ，發(fā)送端在空閑狀態(tài)為 1 。

（2）接收端：接收端通過檢測電平“1”（空閑狀態(tài)）到“0”（起始位）的跳變來確定一個(gè)數(shù)據(jù)包的開始。確定開始位接收完成之后，依次接收數(shù)據(jù)使用更高的采樣時(shí)鐘，完成數(shù)據(jù)采集。接收完數(shù)據(jù)位后，繼續(xù)接收停止位。

4.硬件介紹

硬件上采用USB轉(zhuǎn)RS232芯片CP2104實(shí)現(xiàn)PC與FPGA之間通信。電路中設(shè)計(jì)了一片ESD靜電防護(hù)芯片RCLAMP0522P，與轉(zhuǎn)換芯片CP2104一起，可以防止靜電浪涌燒毀FPGA芯片，起到隔離保護(hù)作用。

圖3：USB轉(zhuǎn)RS232電路圖

5.軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)劃分為接收模塊uart_rx.v和uart_tx.v兩個(gè)模塊，頂層模塊uart_driver.v互聯(lián)兩個(gè)模塊，如下圖所示。

圖4：軟件模塊劃分

UART數(shù)據(jù)傳輸主要包括兩個(gè)部分：

• 波特率的產(chǎn)生設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)，包括接收與發(fā)送。

（1）波特率產(chǎn)生設(shè)計(jì)：

板載 FPGA 輸入時(shí)鐘 100Mhz，為得到常用的波特率，采用計(jì)數(shù)分頻來得到。BAUD_DIV=100000000/ 波特率。其中采樣中心點(diǎn)為發(fā)送或接收時(shí)鐘的中心點(diǎn)，即 BAUD_DIV_CAP= 100000000/(2*波特率） 。

（2）數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)接收模塊：在設(shè)置好傳輸波特率9600bps下，根據(jù)串口傳輸時(shí)序，進(jìn)行解串（串并轉(zhuǎn)換）?？臻e狀態(tài)時(shí)，接收數(shù)據(jù)為邏輯高電平，等待起始位邏輯低電平的到來。當(dāng)起始位到達(dá)后，由低位到高位，依次采集8位數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的解串，存入臨時(shí)寄存器。接收有效數(shù)據(jù)完成后，判斷結(jié)束位，接收完畢。

數(shù)據(jù)發(fā)送模塊：設(shè)置發(fā)送使能信號和待發(fā)送的數(shù)據(jù)。通過計(jì)數(shù)器，表示10 個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送的周期。這 10 個(gè)數(shù)據(jù)，依次為：1位起始位+8 位數(shù)據(jù)位 +1 位結(jié)束位，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)位的逐個(gè)發(fā)送。本設(shè)計(jì)中，采用PC機(jī)的串口調(diào)試助手，發(fā)送數(shù)據(jù)位至FPGA。FPGA 接收到數(shù)據(jù)位之后，立即回傳至 PC 機(jī)。

6.軟件功能仿真與測試

編寫testbench仿真文件，利用Vivado自帶仿真器對軟件代碼進(jìn)行功能仿真，仿真結(jié)果如下圖所示。

圖5：UART串行通信仿真

圖中①處，仿真UART接收串口信號uart_rx_i輸入數(shù)據(jù)8'b10101001，baud_bps在每個(gè)bit位寬中間時(shí)刻采樣，bit_num計(jì)數(shù)接收到的數(shù)據(jù)bit個(gè)數(shù)，數(shù)據(jù)按照LSB端接收；

圖中②處完成8bit數(shù)據(jù)位接收后，產(chǎn)生接收完畢信號uart_rx_done；

圖中③處，將接收到的數(shù)據(jù)按照事先定義好的傳輸協(xié)議通過uart_tx_o發(fā)送。

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