基于FPGA技術實現與PC串行通信

摘要：本文主要介紹了基于FPGA技術實現與PC串行通信的過程，給出了各個模塊的具體實現方法，分析了實現結果，驗證了串行通信的正確性。

引言

串行通信即串行數據傳輸，實現FPGA與PC的串行通信在實際中，特別是在FPGA的調試中有著很重要的應用。調試過程一般是先進行軟件編程仿真，然后將程序下載到芯片中驗證設計的正確性，目前還沒有更好的工具可以在下載后實時地對FPGA的工作情況和數據進行分析。通過串行通信，可以向FPGA發(fā)控制命令讓其執(zhí)行相應的操作，同時把需要的數據通過串口發(fā)到PC上進行相應的數據處理和分析，以此來判斷FPGA是否按設計要求工作。這樣給FPGA的調試帶來了很大方便，在不需要DSP等其他額外的硬件條件下，只通過串口就可以完成對FPGA的調試。本文采用QuartusⅡ3.0開發(fā)平臺，使用Altera公司的FPGA，設計實現了與PC的串行通信。

總體設計

主要設計思想：PC向串口發(fā)送命令，FPGA通過判斷接收的控制字執(zhí)行相應的操作，總體框圖如圖1所示。

圖1 總體框圖

設計包括三部分：1、通過向I/O端口發(fā)送高低電平以達到控制外部硬件的要求。2、完成芯片內部邏輯的變化。3、將需要的數據先存起來(一般采用內部或外部FIFO)，然后通過串口將數據發(fā)送到PC，PC將接收的數據進行處理和分析。串口采用標準的RS-232協議，主要參數的選擇：波特率28800bit/s、8位有效位、無奇偶校驗位、1位停止位。
FPGA中各模塊的實現

分頻模塊

設計中需要將3.6864MHz的時鐘進行64分頻變?yōu)?7600 波特作為其他模塊的時鐘基準。具體實現時采用一個6位計數器，將計數器的溢出作為時鐘的輸出即可實現整數分頻。

發(fā)送接收模塊

此模塊是整個設計的核心部分。設計流程如圖2所示。

圖2 發(fā)送接收流程圖

在串行通信中，無論發(fā)送或接收，都必須有時鐘脈沖信號對所傳送的數據進行定位和同步控制，設計中采用的時鐘頻率是波特率的兩倍(57600 bit/s)。接收過程：初始狀態(tài)是等待狀態(tài)，當檢測到0時進入檢驗狀態(tài)，在檢驗狀態(tài)下如果再檢測到0則進入接收數據狀態(tài)，當接收完8位比特數后判斷是否有停止位，如果有則結束接收過程重新進入等待狀態(tài)。發(fā)送過程：初始狀態(tài)是等待狀態(tài)，當接收到開始發(fā)送的信號則進入發(fā)送過程，先發(fā)送起始位，再發(fā)送8位比特數，每位寬度為2個周期，當一個字節(jié)發(fā)送完畢后發(fā)送一個停止位，發(fā)送結束，重新回到等待狀態(tài)。