基于FPGA的UART串口通信實驗

1. UART串口簡介

串口是“串行接口”的簡稱，即采用串行通信方式的接口。串行通信將數(shù)據(jù)字節(jié)分成一位一位的形式在一條數(shù)據(jù)線上逐個傳送，其特點是通信線路簡單，但傳輸速度較慢。

因此串口廣泛應用于嵌入式、工業(yè)控制等領域中對數(shù)據(jù)傳輸速度要求不高的場合。本實驗我們將使用FPGA開發(fā)板上的UART串口完成上位機與FPGA的通信。

串行通信分為兩種方式：同步串行通信和異步串行通信。

同步串行通信需要通信雙方在同一時鐘的控制下，同步傳輸數(shù)據(jù)；

異步串行通信是指通信雙方使用各自的時鐘控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程。

UART是一種采用異步串行通信方式的通用異步收發(fā)傳輸器（universal asynchronous receiver-transmitter），它在發(fā)送數(shù)據(jù)時將并行數(shù)據(jù)轉換成串行數(shù)據(jù)來傳輸，在接收數(shù)據(jù)時將接收到的串行數(shù)據(jù)轉換成并行數(shù)據(jù)。

UART串口通信需要兩根信號線來實現(xiàn)，一根用于串口發(fā)送，另外一根負責串口接收。

UART在發(fā)送或接收過程中的一幀數(shù)據(jù)由4部分組成，起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位和停止位，如圖所示。

其中，起始位標志著一幀數(shù)據(jù)的開始，停止位標志著一幀數(shù)據(jù)的結束，數(shù)據(jù)位是一幀數(shù)據(jù)中的有效數(shù)據(jù)。

校驗位分為奇校驗和偶校驗，用于檢驗數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否出錯。

奇校驗時，發(fā)送方應使數(shù)據(jù)位中1的個數(shù)與校驗位中1的個數(shù)之和為奇數(shù)；

接收方在接收數(shù)據(jù)時，對1的個數(shù)進行檢查，若不為奇數(shù)，則說明數(shù)據(jù)在傳輸過程中出了差錯。

同樣，偶校驗則檢查1的個數(shù)是否為偶數(shù)。

異步串行通信數(shù)據(jù)格式?

UART通信過程中的數(shù)據(jù)格式及傳輸速率是可設置的，為了正確的通信，收發(fā)雙方應約定并遵循同樣的設置。

數(shù)據(jù)位可選擇為5、6、7、8位，其中8位數(shù)據(jù)位是最常用的，在實際應用中一般都選擇8位數(shù)據(jù)位；

校驗位可選擇奇校驗、偶校驗或者無校驗位；

停止位可選擇1位（默認），1.5或2位。

串口通信的速率用波特率表示，它表示每秒傳輸二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)，單位是bps（位/秒），常用的波特率有9600、19200、38400、57600以及115200等。

在設置好數(shù)據(jù)格式及傳輸速率之后，UART負責完成數(shù)據(jù)的串并轉換，而信號的傳輸則由外部驅動電路實現(xiàn)。

電信號的傳輸過程有著不同的電平標準和接口規(guī)范，針對異步串行通信的接口標準有RS232、RS422、RS485等，它們定義了接口不同的電氣特性，如RS-232是單端輸入輸出，而RS-422/485為差分輸入輸出等。

RS232接口標準出現(xiàn)較早，可實現(xiàn)全雙工工作方式，即數(shù)據(jù)發(fā)送和接收可以同時進行。

在傳輸距離較短時（不超過15m），RS232是串行通信最常用的接口標準，本章主要介紹針對RS-232標準的UART串口通信。

RS-232標準的串口最常見的接口類型為DB9，樣式如圖所示，工業(yè)控制領域中用到的工控機一般都配備多個串口，很多老式臺式機也都配有串口。

但是筆記本電腦以及較新一點的臺式機都沒有串口，它們一般通過USB轉串口線來實現(xiàn)與外部設備的串口通信。

DB9接口

USB串口線

DB9接口定義以及各引腳功能說明如下圖所示，我們一般只用到其中的2（RXD）、3（TXD）、5（GND）引腳，其他引腳在普通串口模式下一般不使用，如果大家想了解，可以自行百度下。

DB9接口定義

2. 實驗任務

上位機通過串口調試助手發(fā)送數(shù)據(jù)給FPGA，F(xiàn)PGA通過串口接收數(shù)據(jù)并將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，完成串口數(shù)據(jù)環(huán)回。