FPGA入门基础之UART串口通信设计

引言：UART是一种通用串行数据总线，用于异步通信。该总线双向通信，可实现全双工传输和接收。UART通常用来实现与PC之间数据通信，命令和控制信息的传输等。本文我们介绍UART通信协议、传输时序及如何利用HDL编程实现FPGA与PC通信。

1.异步串行通信的理解

首先需要介绍几个概念。

通信协议：指双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。交流什么、怎样交流及何时交流，都必须遵循某种互相都能接受的规则。这个规则就是通信协议。

串行通信：是指通信双方按位进行，遵守时序的一种通信方式。串行通信中，将数据按位依次传输，每位数据占据固定的时间长度，即可使用少数几条通信线路就可以完成系统间交换信息，特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。

异步通信：它是对于同步通信来说的，异步通信在发送字符时，所发送的字符之间的时隙可以是任意的，当然，接收端必须时刻做好接收的准备（如果接收端主机的电源都没有加上，那么发送端发送字符就没有意义，因为接收端根本无法接收）。发送端可以在任意时刻开始发送字符，因此必须在每一个字符的开始和结束的地方加上标志，即加上开始位和停止位，以便使接收端能够正确地将每一个字符接收下来。

2.UART通信协议介绍

UART使用的是异步串行通信机制，其数据传输协议格式如下图所示。

图1：UART数据传输协议格式

其中各位的含义如下：

起始位：先发出一个逻辑”0”信号，表示传输字符的开始。

数据位：可以是5~8位逻辑”0”或”1”。如ASCII码（7位），扩展BCD码（8位）。

校验位：数据位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)；数据的奇偶校验位是可以选择的，如果不使用奇偶，那么就没有这个数据位。

停止位：它是一个数据字段的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。

空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有数据信息传输。

UART数据传输协议格式，通常需要在收发设备提前定义好，如传输数据的位数、是否需要校验位、停止位。另外还一个重要的参数就是数据传输的波特率。

图2：常见标准波特率

UART数据传输的速度通常用波特率来衡量。在一次串口通信过程中，数据接收与发送双方没有共享时钟，因此，双方必须协商好数据传输波特率。根据双方协议好的传输速率，相邻bit的时间间隔就会固定下来，接收端即可对发送端的数据进行采样。

标准波特率：包括2400bps、4800bps、9600bps、19200bps、38400bps、57600bps、115200bps等。当然更块的速度意味着对采样的要求更高，有可能误码率会逐渐提高。

3.数据传输工作流程

本文设定传输协议为：1位起始位+8位数据位+1位结束位，无奇偶校验位，传输波特率为9600bps。

（1）发送端按照预先设定好的传输协议及波特率，发送端依次发送：

1bit数据起始位+8bit数据位+1bit停止位

其中，起始位为逻辑 0（低电平） ，结束位为逻辑 1（高电平） ，发送端在空闲状态为 1 。

（2）接收端：接收端通过检测电平“1”（空闲状态）到“0”（起始位）的跳变来确定一个数据包的开始。确定开始位接收完成之后，依次接收数据使用更高的采样时钟，完成数据采集。接收完数据位后，继续接收停止位。

4.硬件介绍

硬件上采用USB转RS232芯片CP2104实现PC与FPGA之间通信。电路中设计了一片ESD静电防护芯片RCLAMP0522P，与转换芯片CP2104一起，可以防止静电浪涌烧毁FPGA芯片，起到隔离保护作用。

图3：USB转RS232电路图

5.软件设计

软件设计划分为接收模块uart_rx.v和uart_tx.v两个模块，顶层模块uart_driver.v互联两个模块，如下图所示。

图4：软件模块划分

UART数据传输主要包括两个部分：

• 波特率的产生设计；数据传输设计，包括接收与发送。

（1）波特率产生设计：

板载 FPGA 输入时钟 100Mhz，为得到常用的波特率，采用计数分频来得到。BAUD_DIV=100000000/ 波特率。其中采样中心点为发送或接收时钟的中心点，即 BAUD_DIV_CAP= 100000000/(2*波特率） 。

（2）数据传输设计

数据接收模块：在设置好传输波特率9600bps下，根据串口传输时序，进行解串（串并转换）。空闲状态时，接收数据为逻辑高电平，等待起始位逻辑低电平的到来。当起始位到达后，由低位到高位，依次采集8位数据，并进行相应的解串，存入临时寄存器。接收有效数据完成后，判断结束位，接收完毕。

数据发送模块：设置发送使能信号和待发送的数据。通过计数器，表示10 个数据发送的周期。这 10 个数据，依次为：1位起始位+8 位数据位 +1 位结束位，实现数据位的逐个发送。本设计中，采用PC机的串口调试助手，发送数据位至FPGA。FPGA 接收到数据位之后，立即回传至 PC 机。

6.软件功能仿真与测试

编写testbench仿真文件，利用Vivado自带仿真器对软件代码进行功能仿真，仿真结果如下图所示。

图5：UART串行通信仿真

图中①处，仿真UART接收串口信号uart_rx_i输入数据8'b10101001，baud_bps在每个bit位宽中间时刻采样，bit_num计数接收到的数据bit个数，数据按照LSB端接收；

图中②处完成8bit数据位接收后，产生接收完毕信号uart_rx_done；

图中③处，将接收到的数据按照事先定义好的传输协议通过uart_tx_o发送。

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