基于FPGA的串口實現

張 誠，孫列鵬，肖 薇，楊化路，程宇峰

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基于FPGA的串口實現

張 誠1，孫列鵬2，肖 薇1，楊化路1，程宇峰1

（1. 北廣科技股份有限公司，北京 101312；2. 北京航空航天大學，北京 100082）

串口作為一個簡單可靠的通訊方式，廣泛的應用于現代電子工業中。目前產品中定時控制分系統與其它的分系統的通信都是由串口來完成的，實現串口的方法大部分是由TI公司的DSP來實現的。本文先對串口協議進行研究，然后介紹串口設計中需要注意的幾個問題，最后根據目前的項目對基于FPGA的串口設計做詳細的說明。

串口；協議；FPGA；VHDL

0 引言

通常提起串口我們都會想到計算機的串口，在工業控制和通信當中串口通信應用也很廣泛。這些領域的串口都是按照計算機的串口標準來做的，這樣極大的方便了用計算機來調試設備。

1 串口協議

目前我們做的串口，都是按照或者參考計算機的串口協議來做的。用于計算機的串口協議有兩種：一種是RS-232，它是是IBM-PC及其兼容機上的串行連接標準。我們見到的計算機大部分都是采用的這種標準，它的外圍電路是由專用芯片（如8251）和電平驅動芯片（如MAX232）來組成的。串口通信的邏輯主要由專用芯片來完成（包括信息的發送和接收和主板總線的通信），電平驅動芯片主要完成電平的轉換。另一種標準是RS-422，它是Apple的Macintosh計算機的串口連接標準，它的組成和RS-232類似，有區別的是RS-422采用了差分線進行傳輸，這使得傳輸的抗干擾性和傳輸距離大大的提高了。還有一種標準是RS-485,它是RS-422的改進，如圖1所示。

圖1 串口通信的物理層組成

如圖1所示，物理層由物理介質和物理代碼組成，物理介質由驅動芯片以及外圍電路和傳輸電纜等用于物理信號傳輸的介質組成，而物理代碼完成了通信的邏輯，它可以是8251這樣的專用芯片，也可以是單片機，DSP，FPGA這樣的可編程器件。我們通常所看到的MAX488，MAX232等驅動芯片和傳輸線都是物理介質。一般計算機是RS-232標準，而我們所設計的電路板都采用了RS-422的標準，所以我們在和計算機通信的時候都會采用一個轉接頭；而物理代碼則通常用DSP，CPLD/FPGA來實現的，這樣DSP，CPLD/FPGA還能完成其他的功能，增加了設計的集成度。

串口通信分為同步通信和異步通信。同步通信比異步通信傳輸信息的質量要好，但是同步通信的硬件電路比異步通信的電路電路要復雜的多，需要硬件連線數增多。如果設計的系統比較復雜，所需要的連線數會成倍的增加。終端定時控制分系統和其他分系統的串口有10-20多個，如果每個串口增加了兩根握手信號，我們需要的連線就會有20-40多個。這大大的增加了連線的困難。所以在一般應用中都會采用異步串口通信，因為異步通信只需要三根線（收，發，地），雖然異步通信比同步通信傳輸的信息少了20%，但是由于其硬件結構比較簡單所以在很多設計中都用了異步通信的方式。本文所討論以及實現的都是異步串口通信。

2 異步串口通信

2.1 監聽機制

異步通信的時候，通信雙方都不知道什么時候通信開始，什么時候通信結束。這樣就需要在傳輸線上有信號位來標志通信的發起和結束。串口通信中所采用的是在發送信息前先發送一個起始位，在信息結束的時候發送一個結束位。這樣本來傳送8位的信息就會傳送10位，這樣信息的傳送率為80%。因為串口通信本來就是慢速的通信，所以這種損失是允許的。在具體的信號線上，當沒有信息發送的時候，信號線上的信號是‘1’，當有信號發送的時候有一位‘0’；當接收信息結束的時候，在結束位會出現信號‘1’，如圖2所示。

圖2 異步通信的傳送位關系

2.2 時鐘與定時

異步通信是相對于同步通信來說的，異步通信之間數據的傳輸率是相同的，由通信雙方規定好。也就是說數據位的速率是相同的，異步接收的時候通過監聽機制監聽到起始位后開始定時接收，如圖3所示。為了保證通信的可靠性，系統工作的時鐘要高于數據率的時鐘。8251要求系統的工作時鐘為數據率的4-6倍，如果數據時鐘是9600，那么系統的工作時鐘就是38.4 k-57.6 k1。圖3是以數據位的五倍時鐘來說明的，當開始定時接收的時候，定時器開始循環計數，當計到三的時候，把數據鎖存起來，這樣保證鎖存的數據前后有一定的時間間隔，比較穩定。當遇到停止位的時候，計數停止。系統工作的時鐘也可以高于數據率的4-6倍，比如16倍，這樣計數器就是模16計數，鎖存的時候可以在計數器為8的時候鎖存，也可以在4的時候鎖存，所以很多串口通信中可以設置結束位為四分之一，或者二分之一位。

圖3 異步通信的接收定時時序

異步通信所傳送的數據位數也是事先規定好的，至少為10位（8位信息加上一位起始位和一位結束位），如果還有奇偶校驗位，那就11位了。具體的位數要看實際中的應用，但是一定要保證通信雙方一致[3]。

2.3 糾錯機制

在通信中糾錯是重要的指標之一，一個好的通信系統不僅要知道傳輸的數據錯誤，而且還要對傳輸的數據進行糾錯[4]。在異步串口通信當中，在傳輸的是一個字節時，一般采用奇偶校驗的方法，在8個數據位后多一個奇偶校驗位，在接收的時候對其進行檢驗，如果正確則存儲，如果錯誤，則采用相應的機制來糾錯。當異步傳輸的是很多字節組成的數據包時，會在數據包后面加上冗余碼，一般為CRC碼，這種碼是固定的多項式，通過計算可以對錯誤的數據進行糾錯[1]。

采用的檢測方法是將數據包里的數據進行累加，發送的時候將累加的值放在數據包相應的位置，接收的時候對傳輸的數據包的數據也進行累加，兩者進行比較后，向發送端反饋相應的數據包。發送端檢測數據包，如果是正確的數據包則不作處理，如果是錯誤的則重新發送相應的數據包。

這種檢測方法要求通信的基本單位是數據包，糾錯的手段是重發機制。因為產品中串口所發送的都是命令協議，時間多為一秒以上，所以這種糾錯機制是很適用的[5]。

FPGA作為一種可編程器件已經為大家所熟悉了，這里就VHDL語言編寫的收發程序給大家介紹一下。[6-7]這部分主要包括發送程序（物理層），接收程序（物理層），以及發送處理（頂層，主要對反饋后的數據包進行處理），接收處理（頂層，對接收的數據包進行處理）[2]。

3 程序設計

3.1 發送程序

發送的過程如下：發送器檢測到發送處理程序發送有效標號后，發送計數器和分頻計數器開始計數，同時根據發送的數據產生奇偶校驗位，根據發送計數器的狀態，進行串并轉換，進行發送。[8]

PROCESS(CLK48K,T_CO)

BEGIN

IF(CLK48K'EVENT AND CLK48K='1')THEN

CASE T_ST IS--狀態表，S0表示無發送；S1表示發送狀態。

WHEN S0=>

T_COUNT<="000";

IF(T_CO='1')THEN

T_COU<="0110";

T_ST<=S1;

T_TEMP1(7 DOWNTO 0)<= T_TEMP;--T_TEMP1

ELSE

T_COU<="0000";

END IF;

WHEN S1=>

IF(T_COUNT="100")THEN T_COUNT<="000";

ELSE

T_ST<=S1;

END IF;

END CASE;

END IF;

END PROCESS;

3.2 接收程序

接收過程如下：接收器探測到起始位，定時計數器和分頻計數器開始工作，當分頻計數器等于2的時候，將接收的數據進行串并轉換，當接收滿8位并且探測到停止位的時候，接收停止，并將接收的結果發送到接收處理程序中去。

PROCESS(CLK48K)

BEGIN

IF(CLK48K'EVENT AND CLK48K='1')THEN

CASE R_ST IS

WHEN S0=>

R_DOUT<=(OTHERS=>'1'); R_TEMP<=(OTHERS=>'1');

R_EN<='0';

IF(R_DATA='0')THEN

R_COUNT<="0110000";

R_ST<=S1;

ELSE

R_ST<=S0;

R_COUNT<=(OTHERS=>'0');

END IF;

IF (R_COUNT(6 DOWNTO 3)>= "0110" AND R_COUNT(2 DOWNTO 0)="010")THEN

END IF;

END PROCESS;

3.3 接收處理

接收處理的過程如下：接收處理程序接收到接收程序發送的有效信號和數據后，對數據進行存儲，并對存儲的數據進行檢驗，將檢驗后的結果發送到發送處理程序中去。

PROCESS(RE_STEN,R_EN)

VARIABLE RE_ST : STD_LOGIC_ VECTOR (2 DOWNTO 0);

BEGIN

IF(RE_STEN='1')THEN

RE_ST:="000";

ELSIF(R_EN'EVENT AND R_EN='1')THEN

CASE RE_ST IS

WHEN "000"=>

RE_ST:="001"; RE_ST:="001";

RE_FLAG<='0';

WHEN "001"=> RE_ST:="010";

RE_FLAG<='0';

WHEN "010"=> RE_ST:="011";

RE_FLAG<='0';

WHEN "011"=> RE_TEMP1<=RE_TEMP; RE_ST:="100";

RE_FLAG<='0';

WHEN "100"=> RE_ST:="101";

RE_FLAG<='1';

WHEN "101"=>

RE_TEMP2<=RE_TEMP; RE_ST:="110";

RE_FLAG<='0';

WHEN "110"=>

RE_TEMP3<=RE_TEMP;

RE_ST:="000";

RE_FLAG<='0'; WHEN OTHERS=>

RE_FLAG<='0'; RE_ST:="000";

END CASE;

END IF;

END PROCESS;

PROCESS(RE_TEMP1,RE_TEMP2,RE_TEMP3)

—檢測數據偵的結果正確發送正確標志，錯誤發送錯誤標志

BEGIN

IF(RE_TEMP1+RE_TEMP2+X"76"=RE_TEMP3)THEN

RE_ERROR_FLAG<='0';

RE_RIGHT_FLAG<='1';

ELSE

RE_ERROR_FLAG<='1';

RE_RIGHT_FLAG<='0';

END IF;

END PROCESS;

3.4 發送處理

發送處理的過程如下：發送處理程序接收到接收處理程序的檢驗結果，根據結果，發送處理程序向發送程序發送有效標志和數據包（按字節發送），并且在數據包相應的位置加入正確或錯誤字節。[9-10]

PROCESS(RE_FLAG,CLK48K,RESET)

VARIABLE TR_COUNT : INTE-GER R-A-N-GE 0 TO 100;

VARIABLE TR_ST : STD_LOGIC_ VECTOR(4 DOWNTO 0);

BEGIN

IF(RESET='0')THEN

TR_ST:="01011";

ELSIF(RE_FLAG='1')THEN

TR_ST:="00000";

TR_COUNT:=0;

ELSIF(CLK48K'EVENT AND CLK-48K='1')THEN

IF(TR_COUNT=450)THEN

TR_COUNT:=0;

TR_EN<='0';

TR_DATA<=X"FF";

ELSIF(TR_COUNT=2)THEN

CASE TR_ST IS

WHEN "00000"=>

TR_EN<='0';

TR_DATA<=X"FF";

TR_ST:="00001";

WHEN "00001"=>

TR_EN<='0'; TR_DATA<=X"FF";

TR_ST:="00010";

WHEN "00010"=>

TR_EN<='0'; TR_DATA<=X"FF";

IF(RE_EN='1' AND RE_RIGHT= '0')THEN

TR_ST:="00011";

ELSIF(RE_EN='0' AND RE_ RIGHT='1')THEN

TR_ST:="10001";

ELSE TR_ST:="00010";

END IF;

WHEN "00011"=>-- 發送反饋正確數據包

TR_EN<='1';

TR_ST:="00100"; TR_DATA<=X"7E";

WHEN "00100"=>

TR_EN<='1';

TR_ST:="00101";

TR_DATA<=X"15";

WHEN "00101"=>

TR_EN<='1';

TR_ST:="00110";

TR_DATA<=X"61";

WHEN "00110"=>

TR_EN<='1';

TR_ST:="00111";

TR_DATA<=X"9E";

WHEN "00111"=>

TR_EN<='1';

TR_ST:="01000";

TR_DATA<=X"04";

WHEN "01000"=>

TR_EN<='1';

TR_ST:="01001";

TR_DATA<=TR_TEMP;

WHEN "01001"=>

TR_EN<='1';

TR_ST:="01010"; TR_DATA<=X"14"+TR_TEMP;

WHEN "01010"=>

TR_EN<='1';

TR_ST:="01011";

TR_DATA<=X"7E";

WHEN "01011"=>

TR_EN<='0';

TR_ST:="01011";

TR_DATA<=X"FF"; WHEN "10001"=>-- 發送反饋錯誤數據包

TR_EN<='1';

4 結論

本文重點討論了串口通信的物理層協議，給出了基于FPGA的實現方法。本文的程序將光纖接收單元和終端定時與控制單元的串口通信中。本程序已經在試驗階段通過。

[1] 鄔寬明《單片機外圍器件實用手冊數據傳輸接口器件分冊》, 北京航天航空大學出版社. 2001: 100-113.

[2] 李新兵《兼容ARM9的軟核處理器設計基于FPGA》, 機械工業出版社. 20012: 20-30.

[3] 謝顯中, 王新梅. 第三代移動通信系統的空中接口方案[J]. 移動通信. 1999(01).

[4] 謝顯中, 苗洪雷, 李穎, 王新梅. 分層空時碼的模型、譯碼接收及其性能仿真[J]. 通信學報. 2001(08).

[5] 葛利嘉, 路鳴. 蜂窩通信的空分多址: 概念、算法和性能[J]. 通信學報. 1999(08).

[6] 王蕾, 韓立峰. 基于Artix-7 FPGA的異步高速串行通信IP設計[J]. 現代電子技術, 2018, 41(19): 6-10.

[7] 王蕾, 李淑婧. 一種基于FPGA+DSP的高速串口通信設計[J]. 現代電子技術, 2018, 41(15): 22-25+30.

[8] 徐巧玉, 周新穩, 王軍委, 朱佩. 一種ARM+FPGA的可裁剪以太網串口服務器設計[J]. 河南科技大學學報(自然科學版), 2018, 39(06): 24-29+34+5.

[9] 甘康, 蔡錦達, 鄒億, 劉倩. 基于ARM和FPGA的LED標準光源電路設計[J]. 光學儀器, 2018, 40(03): 38-45.

[10] 白曉. 基于FPGA的狀態采集與快保護系統子板設計[D]. 中國科學院大學(中國科學院近代物理研究所), 2018.

Implementation of Serial Port Based on FPGA

ZHANG Cheng1, SUN Lie-peng2, XIAO Wei1, YANG Hua-lu1, CHENG Yu-feng1

(1. Beijing BBEF Science & Technology Co., Ltd, Beijing 101312, China; 2. Beihang University Beijing 100082, China)

As a simple and reliable communication method, serial port is widely used in modern electronics industry. At present, the product communication between the timing control subsystem and other subsystems is completed by serial ports. Most of the methods for serial ports are implemented by the DSP of TI company. Firstly, this paper studies the serial port protocol, then introduces several problems that need attention in the serial port design. Finally, according to the current project, the FPGA-based serial port design is described in detail.

Serial port; Protocol; FPGA; VHDL

TN79

B

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.11.046

張誠(1980-)，男，碩士，高級工程師，研究方向：為射頻微波系統設計、電子技術；程宇峰(1970-)，男，本科，高級工程師，研究方向：高頻系統設計開發技術方向；孫列鵬(1979-)，男，博士，職稱：高級工程師，研究方向：高頻系統設計開發技術方向；楊化路(1965-)，男，碩士，職稱：高級工程師，研究方向：高頻系統設計開發技術方向；肖薇(1971-)，男，碩士，職稱：高級工程師，研究方向：結構系統設計與工藝。

張誠，孫列鵬，肖薇，等. 基于FPGA的串口實現[J]. 軟件，2018，39（11）：219-223