FPGA串口通信UART详解与实践

FPGA串口通信UART详解与实践

在FPGA（现场可编程门阵列）的开发与应用中，串口通信UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）是一种非常重要的通信方式。它广泛应用于嵌入式系统、工业控制等领域，实现了计算机系统和外部设备之间的异步数据传输。本文将从UART的基础原理出发，详细介绍其数据结构、波特率设置等关键要素，并通过实践案例展示如何在FPGA中实现UART通信。

一、UART基础原理

UART是一种采用异步串行通信方式的收发传输器。在串行通信中，数据是按位传送的，因此数据传输速率用每秒钟传送二进制代码的位数表示，称为波特率。UART在发送数据时将并行数据转换成串行数据来传输，在接收数据时将接收到的串行数据转换成并行数据。

UART串口通信需要两根信号线来实现：一根用于串口发送（TXD），另一根用于串口接收（RXD）。当不传输数据时，UART数据传输线通常保持高电压电平。若要开始数据传输，发送UART会将传输线从高电平拉到低电平并保持一个波特率周期，这称为起始位。接收UART检测到从高到低电压跃迁时，便开始以波特率对应的频率读取数据帧中的位。

二、UART数据结构

UART在发送或接收过程中的一帧数据由四部分组成：起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。

• 起始位：表示数据传输的开始，通常为一个逻辑0。
• 数据位：实际要传输的数据，可以是5、6、7、8个逻辑1或0构成一个字符，发送和接收端必须保证相同的数据位数设置。
• 奇偶校验位：用于检查数据传输过程中是否发生错误。奇校验要求传输的数据中（不包含校验位）有奇数个逻辑“1”，那么校验位为0，反之为1；偶校验则要求有偶数个逻辑“1”，校验位设置相反。
• 停止位：表示数据传输的结束，可以是1位、1.5位或2位的高电平。

三、波特率设置

波特率表示每秒传输的位数，是UART通信中的一个重要参数。常见的波特率有9600bit/s、115200bit/s等。发送和接收端必须使用相同的波特率设置，以确保数据的正确传输。

四、FPGA中实现UART通信的实践案例

以下是一个在FPGA中实现UART通信的简单实践案例。

1. 硬件平台

本案例使用ZYNQ7020开发板作为硬件平台。ZYNQ7020是一款集成了ARM处理器和FPGA逻辑的可编程片上系统（SoC），非常适合用于嵌入式系统开发和验证。

2. 软件工具

• Vivado：Xilinx的集成开发环境，提供从设计输入到硬件实现的全套工具。
• 串口调试助手：用于在PC端发送和接收UART数据，以验证FPGA实现的正确性。

此外，在FPGA开发过程中，还可以借助千帆大模型开发与服务平台提供的丰富资源和工具，加速开发进程，提高开发效率。

3. 设计步骤

（1）绘制波形图：根据UART通信的协议和数据结构，绘制出发送和接收数据的波形图，以便更好地理解UART的工作原理。

（2）编写代码：使用硬件描述语言（如Verilog）编写UART通信的FPGA实现代码。代码包括接收模块和发送模块，分别负责数据的接收和发送功能。

（3）仿真与调试：在Vivado中进行仿真，验证UART通信的正确性。通过串口调试助手发送数据给FPGA，并观察FPGA的接收和发送情况，确保数据能够正确传输。

4. 实践结果

经过仿真与调试，本案例成功实现了FPGA与PC端之间的UART通信。通过串口调试助手发送的数据能够正确被FPGA接收并回传，验证了UART通信的可靠性和正确性。

五、总结

本文详细介绍了FPGA中的串口通信UART的基础原理、数据结构、波特率设置等关键要素，并通过实践案例展示了如何在FPGA中实现UART通信。UART通信作为一种简单且常见的串行通信方式，在嵌入式系统、工业控制等领域具有广泛的应用前景。借助千帆大模型开发与服务平台等高效工具，可以更加便捷地实现FPGA中的UART通信功能，为相关领域的开发和应用提供有力支持。

同时，随着FPGA技术的不断发展，UART通信也将不断演进和完善，为更多领域的创新和发展提供更加强大的通信能力。