FPGA USB串口通信（一）

目录

一、Uart串口原理

1.串口通信协议简介

2.串口的物理层和协议层

2.1物理层

2.2协议层

二、实验平台

三、实验要求

 

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一、Uart串口原理

1.串口通信协议简介

串行接口简称串口，也称串行通信接口或串行通讯接口（通常指COM接口），是采用串行通信方式的扩展接口。串行接口 （Serial Interface）是指数据一位一位地顺序传送。其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信（可以直接利用电话线作为传输线），从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信，但传送速度较慢。

串行接口从传输方式可分为同步串行接口（英文：SynchronousSerialInterface，SSI）和异步串行（UART，通用异步收发传输器）。同步串行接口是一种常用的工业用通信接口。UART是一个并行输入成为串行输出的芯片，通常集成在主板上。UART包含TTL电平的串口和RS232电平的串口。 TTL电平是3.3V的，而RS232是负逻辑电平，它定义+5~+12V为低电平，而-12~-5V为高电平。本实验采用USB转TTL的串行接口。

串行接口按电气标准及协议来分包括RS-232-C、RS-422、RS485等。RS-232-C、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，不涉及接插件、电缆或协议。

在计算机科学里，大部分复杂的问题都可以通过分层来简化。如芯片被分为内核层和片上外设；STM32标准库则是在寄存器与用户代码之间的软件层。对于通讯协议，我们也以分层的方式来理解，最基本的是把它分为物理层和协议层。物理层规定通讯系统中具有机械、电子功能部分的特性，确保原始数据在物理媒体的传输。协议层主要规定通讯逻辑，统一收发双方的数据打包、解包标准。简单来说物理层规定我们用嘴巴还是用肢体来交流，协议层则规定我们用中文还是英文来交流。

2.串口的物理层和协议层

2.1物理层

串口通讯的物理层有很多标准及变种，我们主要讲解USB转串口通信协议。可以通过采用USB转TTL芯片CH340g将USB口信号电平转换成TTL电平。供其他控制器使用，我们使用控制器为FPGA，其框图如下：

                                                       图1：USB转串口结构图

5VTTL电平标准为：逻辑1为2.4V-5V，逻辑0为0V-0.5V。

                                                     图2：USB转UART串口电路

如图为USB转UART串口电路，通过USB的D+和D-两根数据线连接到CH340的D+和D-接口上，将其数据转换成TTL电平信号通过CH340的TXD和RXD两根信号线和FPGA发送和接收数据。

2.2协议层

串口通讯的数据包由发送设备通过自身的 TXD 接口传输到接收设备的 RXD 接口。在串口通讯的协议层中，规定了数据包的内容，它由启始位、主体数据、校验位以及停止位组成，通讯双方的数据包格式要约定一致才能正常收发数据，其组成见下图：

2.2.1.    波特率

本章中主要讲解的是串口异步通讯，异步通讯中由于没有时钟信号，所以两个通讯设备之间需要约定好波特率，即每个码元的长度，以便对信号进行解码，图 206中用虚线分开的每一格就是代表一个码元。常见的波特率为4800、9600、115200等。

2.2.2.    通讯的起始和停止信号

串口通讯的一个数据包从起始信号开始，直到停止信号结束。数据包的起始信号由一个逻辑0的数据位表示，而数据包的停止信号可由0.5、1、1.5或2个逻辑1的数据位表示，只要双方约定一致即可。

2.2.3.    有效数据

在数据包的起始位之后紧接着的就是要传输的主体数据内容，也称为有效数据，有效数据的长度常被约定为5、6、7或8位长。

2.2.4.    数据校验

在有效数据之后，有一个可选的数据校验位。由于数据通信相对更容易受到外部干扰导致传输数据出现偏差，可以在传输过程加上校验位来解决这个问题。校验方法有奇校验(odd)、偶校验(even)、0校验(space)、1校验(mark)以及无校验(noparity)，它们介绍如下：

• 奇校验要求有效数据和校验位中"1"的个数为奇数，比如一个8位长的有效数据为：01101001，此时总共有4个"1"，为达到奇校验效果，校验位为"1"，最后传输的数据将是8位的有效数据加上1位的校验位总共9位。
• 偶校验与奇校验要求刚好相反，要求帧数据和校验位中"1"的个数为偶数，比如数据帧：11001010，此时数据帧"1"的个数为4个，所以偶校验位为"0"。
• 0校验是不管有效数据中的内容是什么，校验位总为"0"，1校验是校验位总为"1"。
• 在无校验的情况下，数据包中不包含校验位。

二、实验平台

了解了串口通信的基本原理和传输协议后，通过PC端的USB串口与FPGA实现通信功能，下图为USB转TTL电路和Cyclone IV E FPGA 连接示例 ：

                                               图3:USB转TTL电路和Cyclone IV E FPGA 连接示例

下表为FPGA与UART管脚分配表：

表1：UART管脚分配表

Siginal Name	FPGA Pin
UART_RX	PIN_B5
UART_TX	PIN_A6

三、实验要求

所使用的是小梅哥的开发板AC620，三个按键S0、S1、S2，S0按下时处于空闲状态，该状态下不进行串口通信；S1按下时处于状态1：PC向FPGA发送数据，数据由PC串口发送，FPGA收到8位数据，选择相应位置的8个LED是否亮暗；S2按下时处于状态2：FPGA向PC发送数据，FPGA循环发送一个数据8'hff，PC端串口接收。

Tip:由于开发板上只有LED0~LED3共4个LED，本设计需要8个，因此将连接RS232和CAN通信的两个TXD和RXD接口连接的信号指示灯作为我们需要的LED使用。

                                                                 图4：板上使用的LED位置图