一種高可靠性的計算機與FPGA串行通信的實現

摘要：主要介紹以FPGA為硬件平臺的下位機與計算機(上位機)進行串行通信，將串口功能集成到單片FPGA內，運行中波特率可調，經過適當的倍、分頻實現了零誤差的波特率發生器，提高了數據傳輸的可靠性。上位機上編寫VB程序負責主設備的發送命令并接收顯示來自FPGA回發的數據，實驗結果表明通信可行，可靠性高。
關鍵詞：FPGA；串行通信；VB；可靠性

串行通信廣泛應用于數字通信和工業控制領域，傳統的專用串口通信芯片接口復雜，體積較大，隨著微電子技術的發展，FPGA的等效門數迅速增加，可以完全將串口功能集成在單片FPGA內，減少了外圍電路的體積，降低了設計的復雜性，同時也提高通信的可靠性。

1 串行通信的原理
串行通信是指通信的發送和接收方之間數據信息的傳輸是在單根數據線上完成，以每次一個二進制的0或1為最小單位逐位進行傳輸，本文采用異步的全雙工通信方式，數據傳輸是以字符為單位，如圖1所示為異步通信的幀格式。

其中，一幀數據包括起始位、數據位、校驗位和停止位。線路空閑狀態下，發送和接收端均保持高電平；通信開始時，通信一方發送一個起始位(低電平)，表示通信的開始，緊接著發送有效的數據位，通常約定的數據位有5，6，7或者8位，根據用戶需要進行設定，然后發送校驗位，這里選用偶校驗，最后發送停止位，可以是1，1．5或2位不等，用戶自行約定即可。本文選用8位數據位、偶校驗、1位停止位，可以實現所有字符的收、發。
串行通信傳送數據是按位順序進行，最少只需要一根傳輸線即可完成，要實現全雙工的通信共需要2根數據線和1根接地線即可，通信雙方可以在同一時刻進行發送和接收的操作。本文采用的是RS 232C串行接口標準，是目前PC機與通信工業中應用最廣泛的一種串行接口。但計算機的串口是用正負電壓來表示邏輯狀態，與FPGA電路板上以高低電平表示的邏輯狀態的標準不同。因此，為了能夠同計算機進行通信，必須在兩者之間進行電平的邏輯關系轉換，本文采用集成電路芯片MAX232來完成兩種電平的雙向轉換。如圖2所示。