基于FPGA的RS232异步串行口IP核设计
丁超
【摘要】 RS232是一种常用的异步的串行通讯接口，本文介绍了基于FPGA的RS232接口设计与实现过程，利用FPGA完成全双工串口通信，波特率可任意设置，接口挂载数量多，并能实现多通道同步处理，设计方式灵活，通用性较强。
【关键字】 FPGA RS232接口 串口通信 帧数据解析
一、前言
RS232作为低速短距离通信的串行接口，常用于配合上位机通信。传统单片机实现的RS232串口通信，波特率设置固定，接口挂载数量有限，接口速度较慢等诸多缺点，并且单片机的并行操作，难以实现RS232的全双工功能。为此，本文介绍基于FPGA的RS232接口设计与实现，弥补了单片机在RS232通信中的不足。
二、接口电平转换的设计
使用9针RS232通信接口实际使用时，利用TXD（发送数据）、RXD （接收数据）、GND（地线）三线便能实现串口通信。RS232规定的逻辑电平与一般处理器的逻辑电平不同，在TXD、RXD中，邏辑1电压为-3～-15V，逻辑0电压为+3～+15V。因此要想与PC的232接口通信，需要专门的电平转换芯片将RS232电平转换为TTL电平。我们使用专门的MAX232电频转换芯片可实现电平的转换，保证处理机与PC通信的正常进行。接口传输线缆少，电路设计相对简单。如图2-1所示：
三、逻辑设计
利用FPGA设计RS232接口通信，设计灵活性较大。在FPGA中，接口的通信可同时进行，互不干扰。因此可实现全双工的串口通信。数据的发送与接收可使用独自的波特率，并且波特率可任意设置，保证数据的正确接收与发送。
例如在与PC进行数据交互时，我们规定接收来自PC的数据波特率为115200bps，发送速率为9600bps，数据收发同时进行。在单片机中指令顺利执行，速度也相对较慢，要实现这样一组RS232接口通信较为困难。在FPGA设计中，接口的数据收发可同步进行，RXD，TXD映射到底层的收、发子模块，子模块的操作只受敏感信号主时钟CLK与复位信号的影响，实现收、发同步的同时，每个子模块中波特率可设置为任意波特率，波特率由FPGA描述各自模块内部的计数器，计数到标志位产生波特率时钟，因此可独立将接收波特率设置为115200bps，将发送波特率设置为9600bps。FPGA实现数据收发的逻辑描述如图3-1所示：
当FPGA的RX引脚检测到外部信号发送时，RX电平拉低，进入起始位，FPGA内部接收子模块中，已设置好接收波特率设置，在移位操作后，将8位数据信息解析出来。由于数据流要进行发送处理，并且接收速度大于发送速度，这便会出现数据丢失的可能。因此在接收子模块中将数据缓存如FIFO中作为数据保留，待需要发送时，将数据发送至发送子模块的缓存区域（FIFO），准备好发送状态，数据发送时，由起始位、数据位8位、校验位（可删）、停止位重组 发送至PC端。设计中，接收，发送端保留自身的速度特性，互不影响，实现RS232的全双工通信。FIFO作为数据缓存使用，防止数据流失的可能，确保了数据流收发的正确性。
总结：基于FPGA的RS232接口设计，尽管在成本上高与单片机，但在功能需求较高的接口通信设计中，仍具它独特优势。较之单片机功能固定、资源有限、串行数据处理的缺点，利用FPGA实现RS232接口通信，设计更为灵活，可挂载多组RS232接口实现并行通信，波特率可任意设置，可实现收、发同步进行，内部FIFO数据缓存避免了数据流失。基于FPGA的RS232接口设计具有良好的应用价值。
参 考 文 献
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