實現(xiàn)FPGA與PC的串行通信

引言
串行通信即串行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)FPGA與PC的串行通信在實際中，特別是在FPGA的調(diào)試中有著很重要的應(yīng)用。調(diào)試過程一般是先進(jìn)行軟件編程仿真，然后將程序下載到芯片中驗證設(shè)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(shù)據(jù)進(jìn)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(yīng)的操作，同時把需要的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)到PC上進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和分析，以此來判斷FPGA是否按設(shè)計要求工作。這樣給FPGA的調(diào)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(diào)試。本文采用QuartusⅡ3.0開發(fā)平臺，使用Altera公司的FPGA，設(shè)計實現(xiàn)了與PC的串行通信。

圖1   總體框圖

圖2 發(fā)送接收流程圖

圖3  狀態(tài)機變換

總體設(shè)計
主要設(shè)計思想：PC向串口發(fā)送命令，F(xiàn)PGA通過判斷接收的控制字執(zhí)行相應(yīng)的操作，總體框圖如圖1所示。
設(shè)計包括三部分：1、通過向I/O端口發(fā)送高低電平以達(dá)到控制外部硬件的要求。2、完成芯片內(nèi)部邏輯的變化。3、將需要的數(shù)據(jù)先存起來(一般采用內(nèi)部或外部FIFO)，然后通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC，PC將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。串口采用標(biāo)準(zhǔn)的RS-232協(xié)議，主要參數(shù)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(xiàn)
分頻模塊
設(shè)計中需要將3.6864MHz的時鐘進(jìn)行64分頻變?yōu)?7600 波特作為其他模塊的時鐘基準(zhǔn)。具體實現(xiàn)時采用一個6位計數(shù)器，將計數(shù)器的溢出作為時鐘的輸出即可實現(xiàn)整數(shù)分頻。
發(fā)送接收模塊
此模塊是整個設(shè)計的核心部分。設(shè)計流程如圖2所示。
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(shù)據(jù)進(jìn)行定位和同步控制，設(shè)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(dāng)檢測到0時進(jìn)入檢驗狀態(tài)，在檢驗狀態(tài)下如果再檢測到0則進(jìn)入接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，當(dāng)接收完8位比特數(shù)后判斷是否有停止位，如果有則結(jié)束接收過程重新進(jìn)入等待狀態(tài)。發(fā)送過程：初始狀態(tài)是等待狀態(tài)，當(dāng)接收到開始發(fā)送的信號則進(jìn)入發(fā)送過程，先發(fā)送起始位，再發(fā)送8位比特數(shù)，每位寬度為2個周期，當(dāng)一個字節(jié)發(fā)送完畢后發(fā)送一個停止位，發(fā)送結(jié)束，重新回到等待狀態(tài)。
控制模塊
主要實現(xiàn)的功能是：判斷從PC接收的數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)先設(shè)計的邏輯進(jìn)行相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。例如：給端口預(yù)置一個狀態(tài)；送開始發(fā)送的標(biāo)志位，送準(zhǔn)備發(fā)送的數(shù)據(jù)；給DDS送配置信號，控制FIFO的讀寫。程序中狀態(tài)機設(shè)計如圖3所示。
設(shè)計中需要注意的問題
波特率的選擇對于串口通信是很重要的，波特率不應(yīng)太大，這樣數(shù)據(jù)才會更穩(wěn)定。整個發(fā)送接收過程中起始位的判別和發(fā)送是數(shù)據(jù)傳輸?shù)那疤?。為了避免誤碼的產(chǎn)生，在FPGA設(shè)計中的串行輸入和輸出端口都應(yīng)該加上一個數(shù)據(jù)鎖存器。

圖4  發(fā)送接收過程

圖5  發(fā)送控制字過程

圖6  從FIFO讀數(shù)據(jù)的過程

仿真結(jié)果
基本的發(fā)送接收
如圖4所示，clk是時鐘信號(57600 bit/s)；start_xmit是開始發(fā)送標(biāo)志位；sin是串行輸入；datain是并行輸出；read_bit是接收結(jié)束標(biāo)志位；xmit_bit是發(fā)送結(jié)束標(biāo)志位；sout是串行輸出；dataout是并行輸出；rcv_bit 是接收位數(shù)寄存器。發(fā)送接收模塊主要完成把從sin端口接收的串行數(shù)據(jù)變?yōu)椴⑿袛?shù)據(jù)送給dataout；把并行數(shù)據(jù)datain變成串行數(shù)據(jù)通過sout端口串行發(fā)送。
接收：判斷接收的串行數(shù)據(jù)sin是否是連續(xù)的兩個0，如果是則進(jìn)入接收過程；每兩個時鐘周期接收1個比特的數(shù)據(jù)，依次接收到01101010，如果接收到停止位表明這個接收過程結(jié)束read_bit=1。根據(jù)串行通信協(xié)議，數(shù)據(jù)是按照先低位，后高位的順序發(fā)送的，所以實際接收的是01010110。發(fā)送：待發(fā)送的并行數(shù)據(jù)為01010110，當(dāng)start_xmit=1發(fā)送有效，進(jìn)入發(fā)送過程；首先發(fā)送兩個起始位0，保證長度為兩個時鐘周期，然后依次發(fā)送01101010，每兩個時鐘周期發(fā)送1比特，最后發(fā)送停止位，發(fā)送過程結(jié)束xmit_bit為1。
發(fā)送控制字
圖5中clk是時鐘信號；a是PC發(fā)來的16進(jìn)制的控制字，也就是圖4中的并行輸出dataout； ma1cnt、ma2cnt、ma3cnt是三個寄存器；clrr是系統(tǒng)清零信號；ddsclr是DDS配置信號；fifo_clk，fifo_rd，fifo_wr，ram_rst是FIFO的時鐘、讀、寫、清零信號；start_xmit是發(fā)送開始標(biāo)志位；b是準(zhǔn)備發(fā)送的數(shù)據(jù)。當(dāng)接收a為1時，fifo_wr置1；當(dāng)a為18時，把ma1cnt的值送到b。其他的操作類似，主要是端口的置位，F(xiàn)IFO讀寫狀態(tài)的控制。
從FIFO中讀寫數(shù)據(jù)
圖6中SER_CLOCK是系統(tǒng)時鐘3.6864MHz，sa是分頻后的頻率57600bit/s；SIN是串行輸入；data是準(zhǔn)備輸出的數(shù)據(jù)；SOUT是串行輸出；fifoclk、fifowr、fiford是FIFO的讀時鐘、寫、讀使能。讀過程：讀使能有效，先產(chǎn)生6個讀時鐘，但是不往SOUT發(fā)送數(shù)據(jù)，因為FIFO的前6個周期不是有效數(shù)據(jù)。然后產(chǎn)生一個讀時鐘，將FIFO的數(shù)據(jù)送到data，按照通信協(xié)議通過SOUT發(fā)送出去，發(fā)送結(jié)束再產(chǎn)生一個讀時鐘，讀取FIFO的數(shù)據(jù)，進(jìn)行下一次串行輸出。

結(jié)語
隨著可編程器件的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用，F(xiàn)PGA與外圍設(shè)備的通信也越來越多。本文介紹的串行通信的實現(xiàn)具有可復(fù)制性，只需改變系統(tǒng)時鐘頻率和控制模塊就可以在其他場合下使用。