实现FPGA与PC的串行通信

引言
串行通信即串行数据传输，实现FPGA与PC的串行通信在实际中，特别是在FPGA的调试中有着很重要的应用。调试过程一般是先进行软件编程仿真，然后将程序下载到芯片中验证设计的正确性，目前还没有更好的工具可以在下载后实时地对FPGA的工作情况和数据进行分析。通过串行通信，可以向FPGA发控制命令让其执行相应的操作，同时把需要的数据通过串口发到PC上进行相应的数据处理和分析，以此来判断FPGA是否按设计要求工作。这样给FPGA的调试带来了很大方便，在不需要DSP等其他额外的硬件条件下，只通过串口就可以完成对FPGA的调试。本文采用QuartusⅡ3.0开发平台，使用Altera公司的FPGA，设计实现了与PC的串行通信。

图1 总体框图

图2 发送接收流程图

图3 状态机变换
总体设计
主要设计思想：PC向串口发送命令，FPGA通过判断接收的控制字执行相应的操作，总体框图如图1所示。
设计包括三部分：1、通过向I/O端口发送高低电平以达到控制外部硬件的要求。2、完成芯片内部逻辑的变化。3、将需要的数据先存起来(一般采用内部或外部FIFO)，然后通过串口将数据发送到PC，PC将接收的数据进行处理和分析。串口采用标准的RS-232协议，主要参数的选择：波特率28800bit/s、8位有效位、无奇偶校验位、1位停止位。
FPGA中各模块的实现
分频模块
设计中需要将3.6864MHz的时钟进行64分频变为57600 波特作为其他模块的时钟基准。具体实现时采用一个6位计数器，将计数器的溢出作为时钟的输出即可实现整数分频。
发送接收模块
此模块是整个设计的核心部分。设计流程如图2所示。
在串行通信中，无论发送或接收，都必须有时钟脉冲信号对所传送的数据进行定位和同步控制，设计中采用的时钟频率是波特率的两倍(57600 bit/s)。接收过程：初始状态是等待状态，当检测到0时进入检验状态，在检验状态下如果再检测到0则进入接收数据状态，当接收完8位比特数后判断是否有停止位，如果有则结束接收过程重新进入等待状态。发送过程：初始状态是等待状态，当接收到开始发送的信号则进入发送过程，先发送起始位，再发送8位比特数，每位宽度为2个周期，当一个字节发送完毕后发送一个停止位，发送结束，重新回到等待状态。
控制模块
主要实现的功能是：判断从PC接收的数据，根据预先设计的逻辑进行相应的状态转换。例如：给端口预置一个状态；送开始发送的标志位，送准备发送的数据；给DDS送配置信号，控制FIFO的读写。程序中状态机设计如图3所示。
设计中需要注意的问题
波特率的选择对于串口通信是很重要的，波特率不应太大，这样数据才会更稳定。整个发送接收过程中起始位的判别和发送是数据传输的前提。为了避免误码的产生，在FPGA设计中的串行输入和输出端口都应该加上一个数据锁存器。

图4 发送接收过程

图5 发送控制字过程

图6 从FIFO读数据的过程

仿真结果
基本的发送接收
如图4所示，clk是时钟信号(57600 bit/s)；start_xmit是开始发送标志位；sin是串行输入；datain是并行输出；read_bit是接收结束标志位；xmit_bit是发送结束标志位；sout是串行输出；dataout是并行输出；rcv_bit 是接收位数寄存器。发送接收模块主要完成把从sin端口接收的串行数据变为并行数据送给dataout；把并行数据datain变成串行数据通过sout端口串行发送。
接收：判断接收的串行数据sin是否是连续的两个0，如果是则进入接收过程；每两个时钟周期接收1个比特的数据，依次接收到01101010，如果接收到停止位表明这个接收过程结束read_bit=1。根据串行通信协议，数据是按照先低位，后高位的顺序发送的，所以实际接收的是01010110。发送：待发送的并行数据为01010110，当start_xmit=1发送有效，进入发送过程；首先发送两个起始位0，保证长度为两个时钟周期，然后依次发送01101010，每两个时钟周期发送1比特，最后发送停止位，发送过程结束xmit_bit为1。
发送控制字
图5中clk是时钟信号；a是PC发来的16进制的控制字，也就是图4中的并行输出dataout； ma1cnt、ma2cnt、ma3cnt是三个寄存器；clrr是系统清零信号；ddsclr是DDS配置信号；fifo_clk，fifo_rd，fifo_wr，ram_rst是FIFO的时钟、读、写、清零信号；start_xmit是发送开始标志位；b是准备发送的数据。当接收a为1时，fifo_wr置1；当a为18时，把ma1cnt的值送到b。其他的操作类似，主要是端口的置位，FIFO读写状态的控制。
从FIFO中读写数据
图6中SER_CLOCK是系统时钟3.6864MHz，sa是分频后的频率57600bit/s；SIN是串行输入；data是准备输出的数据；SOUT是串行输出；fifoclk、fifowr、fiford是FIFO的读时钟、写、读使能。读过程：读使能有效，先产生6个读时钟，但是不往SOUT发送数据，因为FIFO的前6个周期不是有效数据。然后产生一个读时钟，将FIFO的数据送到data，按照通信协议通过SOUT发送出去，发送结束再产生一个读时钟，读取FIFO的数据，进行下一次串行输出。
结语
随着可编程器件的不断发展和广泛应用，FPGA与外围设备的通信也越来越多。本文介绍的串行通信的实现具有可复制性，只需改变系统时钟频率和控制模块就可以在其他场合下使用。■