基于FPGA的串口幀數(shù)據(jù)通信實現(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上，引入可編程邏輯器件，實現(xiàn)多幀數(shù)據(jù)通信。通過簡單的物理連線實現(xiàn)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(shù)據(jù)解析

一、前言

在常用的RS232通信中，可實現(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字節(jié)的數(shù)據(jù)就顯得太過浪費。實際通信應用中，在串口發(fā)送時，我們需要將一組串口數(shù)據(jù)封裝組合為一幀數(shù)據(jù)，設置一個幀數(shù)據(jù)指令約束，規(guī)定幀頭、數(shù)據(jù)長度、有效數(shù)據(jù)、校驗信息、幀尾等可用信息。因此實現(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)交互內容。

二、串口通信協(xié)議組成

簡單的RS232串口通信利用TXD，RXD實現(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，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(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鐘一致，便可保證通信的順利進行，即完成一個字節(jié)的數(shù)據(jù)交互。

三、幀數(shù)據(jù)通信

在單字節(jié)串口通信的基礎上，將多個數(shù)據(jù)組合成有規(guī)律的一幀數(shù)據(jù)進行通信。利用FPGA可對通信數(shù)據(jù)靈活組合，只要保證收、發(fā)端遵從實現(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)通信實現(xiàn)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(fā)送模塊、FIFO緩存級模塊、波特率設置模塊。

發(fā)送模塊主要實現(xiàn)單字節(jié)串口數(shù)據(jù)的組合成一幀數(shù)據(jù)對外發(fā)送，實質是對單字節(jié)串口發(fā)送模塊的反復調用。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)）、檢測對應子模塊編號（N+1個字節(jié)）、設定幀尾0x55結尾，無檢驗位，數(shù)據(jù)格式如圖3-1所示。

接收模塊主要實現(xiàn)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(shù)據(jù)，同時計數(shù)器字節(jié)計數(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)），解析檢測對應子模塊編號（N+1個字節(jié)），解析幀頭數(shù)據(jù)為0x55后通信完成，判斷計數(shù)器記錄字節(jié)個數(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)，邏輯實現(xiàn)過程由狀態(tài)機完成。FIFO緩存級模塊用于幀數(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(shù)據(jù)重組，以幀頭0xAA，幀數(shù)據(jù)長度（一字節(jié)）、檢測對應子模塊編號（N+1個字節(jié)）、檢測結果（一字節(jié)）、幀尾0x55的形式發(fā)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(shù)據(jù)可多加一級和校驗字節(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)，增強串口通信的可靠性。

四、總結

基于FPGA的串口幀數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)，利用簡單的RS232通信協(xié)議可滿足器件之間完成復雜的數(shù)據(jù)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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