基于FPGA的串口幀數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)

孫倩

【摘要】 本文介紹了RS232串口通信協(xié)議的基本概念，并在串口通信的基礎(chǔ)上，引入可編程邏輯器件，實(shí)現(xiàn)多幀數(shù)據(jù)通信。通過簡單的物理連線實(shí)現(xiàn)PC與器件，器件與器件之間較復(fù)雜的通信信息交互，通用性較強(qiáng)。

【關(guān)鍵字】 FPGA 串口通信 Verilog HDL語言 幀數(shù)據(jù)解析

一、前言

在常用的RS232通信中，可實(shí)現(xiàn)單片系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互，然而我們利用串口通信僅僅為了得到一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)就顯得太過浪費(fèi)。實(shí)際通信應(yīng)用中，在串口發(fā)送時(shí)，我們需要將一組串口數(shù)據(jù)封裝組合為一幀數(shù)據(jù)，設(shè)置一個(gè)幀數(shù)據(jù)指令約束，規(guī)定幀頭、數(shù)據(jù)長度、有效數(shù)據(jù)、校驗(yàn)信息、幀尾等可用信息。因此實(shí)現(xiàn)串口幀數(shù)據(jù)通信，在有限的串口連線上賦予更多通信信息，豐富了器件間數(shù)據(jù)交互內(nèi)容。

二、串口通信協(xié)議組成

簡單的RS232串口通信利用TXD，RXD實(shí)現(xiàn)全雙工通信。協(xié)議中規(guī)定通用字格式為：1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位、1位停止位組成。按位發(fā)送和接收字節(jié)。在串口發(fā)送時(shí)，主設(shè)備按照串口格式組成順序，以某一波特率產(chǎn)生TXD，主設(shè)備的TXD作為從設(shè)備的RXD，檢測RXD下降沿，以相同的波特率接收數(shù)據(jù)，操作可逆。只要保證接收與發(fā)送端各自的波特率時(shí)鐘一致，便可保證通信的順利進(jìn)行，即完成一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)交互。

三、幀數(shù)據(jù)通信

在單字節(jié)串口通信的基礎(chǔ)上，將多個(gè)數(shù)據(jù)組合成有規(guī)律的一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行通信。利用FPGA可對(duì)通信數(shù)據(jù)靈活組合，只要保證收、發(fā)端遵從實(shí)現(xiàn)約束的幀通信協(xié)議，便能完成數(shù)據(jù)交互。我們以串口幀數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)PC對(duì)某一產(chǎn)品的各子模塊功能檢測為例，通過Verilog HDL語言，完成邏輯編寫，模塊分為接收模塊、發(fā)送模塊、FIFO緩存級(jí)模塊、波特率設(shè)置模塊。

發(fā)送模塊主要實(shí)現(xiàn)單字節(jié)串口數(shù)據(jù)的組合成一幀數(shù)據(jù)對(duì)外發(fā)送，實(shí)質(zhì)是對(duì)單字節(jié)串口發(fā)送模塊的反復(fù)調(diào)用。一幀數(shù)據(jù)通信格式以幀頭單字節(jié)0xAA，幀數(shù)據(jù)長度（一字節(jié)）、檢測對(duì)應(yīng)子模塊編號(hào)（N+1個(gè)字節(jié)）、設(shè)定幀尾0x55結(jié)尾，無檢驗(yàn)位，數(shù)據(jù)格式如圖3-1所示。

接收模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)一幀串口指令的接收識(shí)別解析，通信解析流程如圖3-2所示。首先檢測RXD的下降沿，解析幀頭數(shù)據(jù)，同時(shí)計(jì)數(shù)器字節(jié)計(jì)數(shù)開始，判斷幀頭數(shù)據(jù)為0xaa，解析數(shù)據(jù)長度，由寄存器變量緩存（一字節(jié)），解析檢測對(duì)應(yīng)子模塊編號(hào)（N+1個(gè)字節(jié)），解析幀頭數(shù)據(jù)為0x55后通信完成，判斷計(jì)數(shù)器記錄字節(jié)個(gè)數(shù)與寄存器變量緩存的數(shù)據(jù)長度是否一致，判斷通信中是否漏掉數(shù)據(jù)，邏輯實(shí)現(xiàn)過程由狀態(tài)機(jī)完成。FIFO緩存級(jí)模塊用于幀數(shù)據(jù)緩存處理，避免數(shù)據(jù)覆蓋。波特率設(shè)置模塊用于接收、發(fā)送端通信速度的靈活把控。

在正確接收完成后，接收端提取檢測對(duì)應(yīng)子模塊編號(hào)進(jìn)行對(duì)應(yīng)校驗(yàn)工作，校驗(yàn)完成后，將檢驗(yàn)結(jié)果與接收的幀數(shù)據(jù)重組，以幀頭0xAA，幀數(shù)據(jù)長度（一字節(jié)）、檢測對(duì)應(yīng)子模塊編號(hào)（N+1個(gè)字節(jié)）、檢測結(jié)果（一字節(jié)）、幀尾0x55的形式發(fā)送回PC上位機(jī)。從而完成對(duì)該產(chǎn)品指定功能模塊的校驗(yàn)工作。實(shí)際應(yīng)用中，幀數(shù)據(jù)可多加一級(jí)和校驗(yàn)字節(jié)，避免接收端將有效數(shù)據(jù)中0x55誤判斷為幀尾數(shù)據(jù)，增強(qiáng)串口通信的可靠性。

四、總結(jié)

基于FPGA的串口幀數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)，利用簡單的RS232通信協(xié)議可滿足器件之間完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)交互，通信靈活性更強(qiáng)，可用于PC對(duì)器件的復(fù)雜功能調(diào)控，操作更加直觀，人機(jī)交互良好。

參 考 文 獻(xiàn)

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