基于FPGA的接口轉換電路設計

郭鑫 馬俊

摘 要：21世紀是信息化的世紀，計算機技術迅速發展，越來越多的計算機采用傳輸速率更快且性能更加優良的USB接口，而個人計算機上的RS232，正在逐漸被淘汰。但在工業領域中RS232應用仍十分廣泛。本文在此應用背景下，研究和設計USB與RS232之間的接口轉換電路，硬件開發采用了SOPC設計思想，添加不同功能的模塊，構建NIOS II系統，在Quartus II中完成硬件開發，而軟件開發在NIOS II IDE中完成，利用FPGA平臺，實現USB與RS232之間的接口轉換，實現上位控制計算機與底層設備之間的數據通信。

關鍵詞：USB接口；RS232接口；FPGA；SOPC

隨著計算機科學技術的迅速發展，如今對計算機的數據通信速度有了更高的要求，因此計算機的外圍接口也發展迅速。由于USB在個人計算機上應用越來越廣泛，逐漸淘汰了RS232，但目前仍然很多采用RS232串行接口的工業設備、儀器儀表領域中，考慮到可行性和成本原因，立即將這些設備改造成USB接口是不可行的。因此本文選擇在FPGA開發平臺下實現USB轉RS232接口，通過這樣將計算機與傳統的設備相連，實現USB與RS232接口的雙向數據傳輸，同時也擴大了USB的傳輸距離。

一、基于FPGA嵌入式IP的SOPC系統

基于FPGA的嵌入式IP硬核SOPC系統是在FPGA中預先植入NIOS處理器。為了更好的通用性，必須將常規的嵌入式處理器集成諸多通用和專用的接口，但這樣又不得不增加芯片的成本和功耗。但如果將ARM或者其他處理器核以IP硬核的方式植入FPGA中，利用FPGA的可編程邏輯資源和可擦除性，按照系統功能需求來添加接口功能模塊，如USB模塊和RS232模塊，既能實現目標系統功能，又能實現系統的低成本和低功耗。這樣使得FPGA靈活的硬件設計與處理器的強大軟件功能有機地結合在一起，更有效地實現SOPC系統。

雖然基于FPGA嵌入IP硬核能有效降低系統成本和功耗，但也有不足之處：（1）IP硬核多來自第三方公司。（2）這些IP硬核是預先植入系統的。（3）設計者無法根據實際需要改變處理器的結構。（4）無法根據實際設計者的需求在同一FPGA開發板中集成多個處理器。根據以上不足，FPGA生產商設計了嵌入式系統IP軟核。利用Quartus II和SOPC Builder，對NIOS II及其外圍設備進行模塊構建，使得系統能夠滿足設計者在硬件結構、功能特點、資源占用方面的要求，而且不同于IP硬核，NIOS II軟核在同一FPGA下可以添加多個IP軟核，只要FP

GA的邏輯資源夠用就行。在成本方面，因為NIOS II是Altera公司直接提供，因此省下支付第三方廠商的知識產權費用。

二、接口硬件電路設計

本文采用的是CH376芯片作為USB接口的芯片。CH376芯片是文件管理控制芯片，用于單片機系統讀寫U盤或者SD卡中的文件，本文主要用到了CH376芯片的USB設備方式。其中CH376采用8位并口接口方式連接到FPGA上進行控制。

根據CH376手冊，了解CH376的特點，設計出在3.3v電源電壓下USB的外圍電路。本文設計的USB電路有一下幾個特點：（1）自供電：5VVCC；（2）傳輸速度：12Mbps；（3）USB芯片：CH376。（4）時鐘電路：12MHz晶振。

接口轉換主要思想是在FPGA上面構建NIOS II系統平臺，這樣在SOPC Builder中已經添加了RS-232模塊，因此串口可以直接連接到FPGA上，只需要保證電氣的相容性即可。在RS-232外圍電路設計中，采用了MAX3232芯片來完成RS232總線電平與TTL電平的轉換。

三、基于NIOS II IDE系統軟件開發

USB分主機模式和設備模式，本文主要用到了USB的設備模式。FPGA開發板通過USB接口與電腦相連，電腦里面的上位機來發送、接收USB數據，實現FPGA開發板與電腦的數據通信。本論文通過設計的USB接口連接到FPGA上，用FP

GA來控制USB芯片的接收、發送數據，這樣在FPGA NIOS II系統內完成USB接口與RS232接口的數據交換。基于FPGA的SOPC設計思想，在開發過程中主要使用到了Quartus II9.0、SOPC Builder、NIOS II IDE9.0軟件。

將所做的USB接口、RS232接口通過導線連接到黑金FP

GA開發板的擴展引腳上，同時將USB接口通過USB數據線連接到電腦上，RS232接口通過串口線連接到電腦上，通過上位機串口調試助手和USB調試助手來驗證調試轉換電路設計是否實現。

圖1 硬件電路低連接圖

如圖2所示，打開串口調試助手，串口設置為COM1，波特率設置為115200，校驗位為NONE，數據位為8，停止位為1。當在串口調試助手中發送數據“西南交通大學電氣工程學院”時，數據經過FPGA，在NIOS II系統內完成數據轉換，由USB接收，在USB調試助手上顯示出來“西南交通大學電氣工程學院”。在USB調試助手中輸入“Southwest jiaotong University”，點擊“Send”，數據經過FPGA，在NIOS II系統內被串口接收，并在上位機程序串口調試助手中正確顯示出來。經過在上位機程序USB調試助手和串口調試助手中的調試，能夠完成USB接口轉換RS232接口，正常實現接口之間的數據轉換。

圖2 USB接口與RS232接口調試窗口圖

結論：本文在查詢翻閱國內外關于接口轉換的期刊文獻的基礎上，闡述了本文基于FPGA的接口硬件電路設計的理論基礎和可行性。在闡述了USB接口和RS232接口通信原理后，從3個主要部分入手：首先是自行設計外圍硬件電路，通過跳線連接到FPGA上；然后是硬件開發中實現將外圍硬件電路USB接口和RS232接口與FPGA連接起來構成一個NIOS II系統，最終實現硬件電路的開發；最后是接口電路的軟件開發，在實現USB接口、RS232接口與FPGA互連后，主要軟件編程驅動實現USB與RS232的接口數據通信，完成接口轉換。

參考文獻：

[1] 周立功等.SOPC嵌入式系統基礎教程.北京：北京航空航天大學出版社，2006

[2] 孫源.基于FPGA的多功能串行通信測試系統設計：[碩士學位論文].南京：南京理工大學控制理論與控制工程，2010