基于FPGA的串口幀數據通信實現

孫倩

【摘要】 本文介紹了RS232串口通信協議的基本概念，并在串口通信的基礎上，引入可編程邏輯器件，實現多幀數據通信。通過簡單的物理連線實現PC與器件，器件與器件之間較復雜的通信信息交互，通用性較強。

【關鍵字】 FPGA 串口通信 Verilog HDL語言 幀數據解析

一、前言

在常用的RS232通信中，可實現單片系統間的數據交互，然而我們利用串口通信僅僅為了得到一個字節的數據就顯得太過浪費。實際通信應用中，在串口發送時，我們需要將一組串口數據封裝組合為一幀數據，設置一個幀數據指令約束，規定幀頭、數據長度、有效數據、校驗信息、幀尾等可用信息。因此實現串口幀數據通信，在有限的串口連線上賦予更多通信信息，豐富了器件間數據交互內容。

二、串口通信協議組成

簡單的RS232串口通信利用TXD，RXD實現全雙工通信。協議中規定通用字格式為：1位起始位、8位數據位、奇偶校驗位、1位停止位組成。按位發送和接收字節。在串口發送時，主設備按照串口格式組成順序，以某一波特率產生TXD，主設備的TXD作為從設備的RXD，檢測RXD下降沿，以相同的波特率接收數據，操作可逆。只要保證接收與發送端各自的波特率時鐘一致，便可保證通信的順利進行，即完成一個字節的數據交互。

三、幀數據通信

在單字節串口通信的基礎上，將多個數據組合成有規律的一幀數據進行通信。利用FPGA可對通信數據靈活組合，只要保證收、發端遵從實現約束的幀通信協議，便能完成數據交互。我們以串口幀數據通信實現PC對某一產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、發送模塊、FIFO緩存級模塊、波特率設置模塊。

發送模塊主要實現單字節串口數據的組合成一幀數據對外發送，實質是對單字節串口發送模塊的反復調用。一幀數據通信格式以幀頭單字節0xAA，幀數據長度（一字節）、檢測對應子模塊編號（N+1個字節）、設定幀尾0x55結尾，無檢驗位，數據格式如圖3-1所示。

接收模塊主要實現對一幀串口指令的接收識別解析，通信解析流程如圖3-2所示。首先檢測RXD的下降沿，解析幀頭數據，同時計數器字節計數開始，判斷幀頭數據為0xaa，解析數據長度，由寄存器變量緩存（一字節），解析檢測對應子模塊編號（N+1個字節），解析幀頭數據為0x55后通信完成，判斷計數器記錄字節個數與寄存器變量緩存的數據長度是否一致，判斷通信中是否漏掉數據，邏輯實現過程由狀態機完成。FIFO緩存級模塊用于幀數據緩存處理，避免數據覆蓋。波特率設置模塊用于接收、發送端通信速度的靈活把控。

在正確接收完成后，接收端提取檢測對應子模塊編號進行對應校驗工作，校驗完成后，將檢驗結果與接收的幀數據重組，以幀頭0xAA，幀數據長度（一字節）、檢測對應子模塊編號（N+1個字節）、檢測結果（一字節）、幀尾0x55的形式發送回PC上位機。從而完成對該產品指定功能模塊的校驗工作。實際應用中，幀數據可多加一級和校驗字節，避免接收端將有效數據中0x55誤判斷為幀尾數據，增強串口通信的可靠性。

四、總結

基于FPGA的串口幀數據通信實現，利用簡單的RS232通信協議可滿足器件之間完成復雜的數據交互，通信靈活性更強，可用于PC對器件的復雜功能調控，操作更加直觀，人機交互良好。

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