经测试的FPGA串口通信VHDL程序
基于fpga的串口设计及实现
基于fpga的串口设计及实现
基于FPGA的串口设计及实现是一个涉及数字电路设计和通信协
议的复杂课题。
首先，让我们从串口通信的基本原理开始。
串口通信是一种通过串行传输数据的通信方式，它使用一个或
多个数据线（通常是一对）来逐位地传输数据。
常见的串口通信标
准包括RS-232、RS-485、UART等。
在FPGA中实现串口通信，需要
考虑以下几个方面：
1. 串口通信协议选择，根据具体的应用场景和需求，选择合适
的串口通信协议。
例如，UART是一种常见的串口通信协议，它使用
起始位、数据位、校验位和停止位来传输数据。
2. 串口通信接口设计，在FPGA中设计串口通信接口，需要考
虑数据的发送和接收，时钟信号的同步等问题。
通常需要使用FPGA
的IO资源来实现串口通信接口。
3. 串口通信协议的实现，在FPGA中实现选择的串口通信协议，包括数据的发送和接收、时序控制、校验等功能。
这通常需要使用Verilog或VHDL等硬件描述语言进行开发。
4. 硬件调试和验证，设计完成后，需要进行硬件调试和验证，包括时序分析、波形仿真等工作，确保串口通信的稳定和可靠。
在实际的FPGA串口设计中，还需要考虑时钟频率、数据传输速率、数据格式、数据校验、中断处理等问题。
此外，还需要考虑FPGA与外部设备的接口，如与传感器、显示器、存储器等设备的接口设计。
总之，基于FPGA的串口设计及实现涉及到硬件设计、数字电路设计、通信协议等多个方面的知识，需要综合考虑各种因素，进行全面的设计和实现。
基于FPGA的串口通信设计
基于FPGA的串口通信设计引言：串口通信是现代计算机通信系统中的常见通信方式。
它可以在计算机和外部设备之间传输数据，具有低成本、简单易懂、可靠性高等特点。
然而，在一些应用场景下，传统的软件串口通信无法满足需求，因此使用FPGA来实现硬件串口通信变得愈发重要。
本文将重点介绍基于FPGA的串口通信设计，包括串口通信原理、FPGA硬件实现以及设计注意事项。
一、串口通信原理：串口通信的原理很简单，将数据通过一根导线（或多根导线）依次发送和接收。
它使用一个起始位、数据位（常为8位）、奇偶校验位（可选）和一个或多个停止位来组成一个数据帧。
发送数据时，串口将数据帧从最低位开始逐位发送，并在每位发送完毕后根据波特率发送下一位。
接收数据时，串口根据波特率和起始位检测到数据的到来，并从起始位开始逐位接收。
二、FPGA硬件实现：FPGA可以通过其可编程逻辑单元（FPGA的核心组件）实现硬件串口通信。
下面是基于FPGA的串口通信设计主要步骤：1.FPGA引脚分配：首先，选择合适的FPGA芯片，并确定通信所需的引脚数量。
然后，根据引脚分配表将引脚与FPGA的可编程逻辑单元相连接。
2.接口电平转换：在FPGA和外设之间可能存在电平不匹配的情况。
为了实现正确的数据传输，需要使用电平转换电路进行适配。
3.帧同步信号生成：FPGA需要生成适当的时钟信号和帧同步信号，以使数据能够正确地按位传输和接收。
帧同步信号指示数据的起始和终止。
4.数据传输实现：FPGA需要根据串口通信原理，按照波特率逐位地发送和接收数据。
在发送数据时，FPGA将数据从最低位开始逐位输出到引脚，并根据起始位、数据位、奇偶校验位和停止位生成完整的数据帧。
在接收数据时，FPGA根据时钟信号和帧同步信号，逐位地接收到达的数据，以获得完整的数据帧。
5.数据校验和处理：FPGA可以实现奇偶校验的功能，以检测接收到的数据是否正确。
此外，还可以在FPGA内部对接收到的数据进行处理，例如数据解码、错误检测等。
基于FPGA串口通信的电路和程序设计
中北大学毕业设计中期总结学生姓名：袁财源学号：1206044145学院：仪器科学与技术专业：电子科学与技术设计题目：基于FPGA串口通信的电路和程序设计指导教师:郭涛2015 年1月5日毕业设计中期总结1.开题以来所做的具体工作和取得的进展或成果（方案、图纸、代码等支撑，任务书要求与已完成工作对照表）1.设计方案RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。
使用RS232串口通信接口模块的目的是用于电平转换。
由于FPGA输出的TTL电平与串口发送的电平不一致，因此，采用电平转换器MAX232。
MAX232是一种双组驱动器/接收器，片内含有一个电容性电压发生器，以便在单5V电源供电时提供EIA/TIA-232-E电平，来实现RS232信号和单片机串口信号之间的电平转换。
其工作电压3.0-5.5V，可将TTL电平转换成RS-232标准电平。
从而实现了FPGA与上位机之间的串口通信。
FPGA上位机MAX232电路主要框图2.相关知识MAX232芯片结构第一部分是电荷泵电路。
由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。
功能是产生+12v 和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。
第二部分是数据转换通道。
由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。
其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。
8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。
TTL/CMOS数据从11引脚（T1IN）、10引脚（T2IN）输入转换成RS-232数据从14脚（T1OUT）、7脚（T2OUT）送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从13引脚（R1IN）、8引脚（R2IN）输入转换成TTL/CMOS数据后从12引脚（R1OUT）、9引脚（R2OUT）输出。
fpga设计中vhdl语言简介
fpga设计中vhdl语言简介
VHDL是一种硬件描述语言(HDL)，旨在帮助工程师和设计师进行复杂电路和系统的设计和仿真。
VHDL语言是由美国国防部发起的，现在已经成为全球应用最广泛的HDL之一。
VHDL语言的基础包括三个部分：实体(entity)、体(architecture)和过程(process)。
实体定义组件的接口，在其内部，architecture结构体提供了具体的实现。
过程是编写复杂操作的基本方式，类似于C语言中的函数。
VHDL语言的数据类型包括标准逻辑类型，如布尔、位和字符类型，以及更复杂的数据类型，如数组和记录类型。
此外，VHDL也支持自定义数据类型。
在FPGA设计中，VHDL语言的主要作用是设计和实现可编程逻辑电路。
VHDL语言描述的电路可以在硬件上运行，也可以使用仿真器进行验证和测试。
总体而言，VHDL语言是一种强大的硬件描述语言，对于设计和实现复杂的电路和系统非常有用。
在FPGA设计中，VHDL语言是必不可少的一部分。
FPGA和单片机串行通信接口的实现
FPGA和单片机串行通信接口的实现FPGA（Field-Programmable Gate Array）和单片机（Microcontroller）是两种常用的数字电子设备，它们在串行通信接口方面有不同的实现方式。
首先，我们需要了解串行通信是一种将数据以位的形式逐个传输的通信方式。
常见的串行通信协议包括UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）、SPI（Serial Peripheral Interface）和I2C （Inter-Integrated Circuit）等。
对于FPGA和单片机之间的串行通信，我们可以基于以下几种方式进行实现：1. UART：UART是一种常见的串行通信协议，可以实现全双工的通信。
在FPGA和单片机之间建立UART通信，需要在FPGA中实现UART模块，并将其与单片机的UART接口连接。
在FPGA中，我们可以使用硬件语言（如Verilog或VHDL）来实现UART模块，该模块负责将FPGA内部的数据通过UART协议进行封装和解封装。
单片机与FPGA之间通过TX（发送）和RX （接收）引脚建立连接。
单片机可以通过串口发送数据给FPGA，FPGA接收到数据后进行处理，然后再通过串口将处理后的数据发送给单片机。
2.SPI：SPI是一种用于片上外设之间通信的串行通信协议，常用于FPGA与外部设备（例如传感器、显示器等）之间的通信。
在FPGA和单片机之间建立SPI通信，需要在FPGA中实现SPI控制器，并将其与单片机的SPI接口连接。
FPGA通过把数据写入SPI发送缓冲区或从SPI接收缓冲区读取数据来实现与单片机的通信。
单片机通过控制SPI接口的时钟、数据和使能信号来与FPGA进行数据传输。
3.I2C：I2C是一种双线制串行总线，常用于连接多个设备的系统，例如FPGA、单片机和其他外部设备之间的通信。
在FPGA和单片机之间建立I2C通信，需要在FPGA中实现I2C控制器，并将其与单片机的I2C接口连接。
FPGA VHDL
12:29
点评：等待时钟边沿，可以为clk说明一个表示周期的常量，wait语句使 说明一个表示周期的常量， 点评：等待时钟边沿，可以为 说明一个表示周期的常量 语句使 用该常量表示等待一个周期。 用该常量表示等待一个周期。 例如： 例如： constant period : time :=100ns; wait for period;
测试基准
检查模型的输出信号 例2也可以使用输出信号： 也可以使用输出信号： 也可以使用输出信号 Process(out_model, in_model) Begin if out_model=‘1’ and in_model=‘1’ then test_ok<=‘0’; end if; End process;
12:29
点评：如果输出信号和输入信号相同，模拟器停下来并打印错误信息。 点评：如果输出信号和输入信号相同，模拟器停下来并打印错误信息。 上面的例子包含一个if语句，决定assert语句是否执行。断言条件 上面的例子包含一个 语句，决定 语句是否执行。 语句 语句是否执行 永远为假。 永远为假。
14
②
但是， VHDL中有两类延时模型能用于行为仿真建模： 但是，在VHDL中有两类延时模型能用于行为仿真建模：固有延时和 中有两类延时模型能用于行为仿真建模 传输延时。（仅用于仿真，不被综合）。 传输延时。（仅用于仿真，不被综合）。 。（仅用于仿真
5
延时模型
①
12:29
固有延时 固有延时（惯性延时），是任何电子器件都存在的一种延时特性。 固有延时（惯性延时），是任何电子器件都存在的一种延时特性。物 ），是任何电子器件都存在的一种延时特性 理机制是器件的电容分布效应。 理机制是器件的电容分布效应。 当信号的脉宽小于器件的固有延时时， 当信号的脉宽小于器件的固有延时时，器件对输入的信号不作任何反 应。为了使器件对输入信号的变化产生响应，就必须使信号的脉宽大于 为了使器件对输入信号的变化产生响应， 固有延时。 固有延时。 VHDL中将固有延时默认为一个无穷小量 VHDL中将固有延时默认为一个无穷小量 。但由于不同物理特性的 器件的固有延时是不同的， 器件的固有延时是不同的，为了在行为仿真中更加逼真地模仿电路的这 种延时特性，VHDL提供了有关的语句： 种延时特性，VHDL提供了有关的语句： 提供了有关的语句 Z<=X and Y after 5 ns ; Z<=X and Y ;
FPGA设计与应用 串口通信实验
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y实验报告课程名称： FPGA设计与应用实验题目：串口通信实验院系：电子与信息工程学院班级： 1005104 姓名：原亚欣学号： 1100500235 实验时间： 2013年11月哈尔滨工业大学串口通信实验一、实验目的1、了解串口通信的基本原理；2、掌握锁相环的基本原理和使用方法；3、掌握起始位和停止位的含义及实现方法；4、掌握VHDL状态机的基本使用方法；5、掌握基本的接口设计和调试技巧；二、实验准备2.1 串口通信原理串口通信指口按位发送和接收字节。
通信使用3根线完成，分别是地线、发送、接收。
由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。
其他线用于握手，但不是必须的。
串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。
对于两个进行通信的端口，这些参数必须匹配。
波特率表示每秒传输的位数，接受发送双方必须匹配。
不发送数据时，连线上为高电平。
发送数据时，要首先发送一个起始位，为低电平，然后按照协议发送需要的数据，八位或者九位（带有校验位），然后发送一个停止位，为高电平。
接收时，要首先确定起始位，然后按照协议接受八位或者九位数据。
接受完成后继续判断起始位，开始下一个接受周期。
2.2 锁相环的基本原理参考频率源压控振荡器环路滤波器鉴相器程序分频器频率输出锁相环的框图如上所示，主要包括：相器、环路滤波器、压控振荡器、分频器构成。
鉴相器用来鉴别输入信号与输出信号之间的相位差，并输出误差电压Ud。
Ud 中的噪声和干扰成分被低通性质的环路滤波器滤除，形成压控振荡器的控制电压Uc。
Uc作用于压控振荡器的结果是把它的输出振荡频率fo拉向环路输入信号频率fi，当二者相等时，环路被锁定，称为入锁。
维持锁定的直流控制电压由鉴相器提供，因此鉴相器的两个输入信号间留有一定的相位差。
三、源代码及测试结果3.1 串口发送程序及分析library IEEE;use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;entity yyx_shiyan2_tx isPort ( yyx_clkin : in STD_LOGIC;yyx_txd : out STD_LOGIC;yyx_datain : in STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0));end yyx_shiyan2_tx;architecture Behavioral of yyx_shiyan2_tx isTYPE uart_state_type IS (state_idle,state_start,state_shift,state_stop);SIGNAL yyx_clk_buf:STD_LOGIC:='0';SIGNAL yyx_cnt: STD_LOGIC_VECTOR (26 DOWNTO 0);SIGNAL state:uart_state_type:=state_idle;SIGNAL yyx_data_tx:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);SIGNAL yyx_stop_cnt:std_logic_vector(7 downto 0);beginPROCESS(yyx_clkin)BEGINIF yyx_clkin'event and yyx_clkin='1' THENIF yyx_cnt<217 THENyyx_cnt<=yyx_cnt+1;yyx_clk_buf<='0';ELSIF yyx_cnt<434 THENyyx_cnt<=yyx_cnt+1;yyx_clk_buf<='1';elseyyx_cnt<=(OTHERS=>'0');yyx_clk_buf<='0';END IF;end if;END PROCESS;PROCESS(yyx_clk_buf)V ARIABLE number:INTEGER RANGE 7 DOWNTO 0;BEGINIF rising_edge(yyx_clk_buf) THENCASE state ISWHEN state_idle=>yyx_txd<='1';yyx_data_tx (7 DOWNTO 4)<=yyx_datain;yyx_data_tx (3 DOWNTO 0)<=NOT yyx_datain;state<=state_start;WHEN state_start=>yyx_txd<='0';number:=0;state<=state_shift;WHEN state_shift=>yyx_txd<=yyx_data_tx(number);IF number<7 THENnumber:=number+1;state<=state_shift;ELSEyyx_stop_cnt<=X"00";state<=state_stop;END IF;WHEN state_stop=>yyx_txd<='1';IF yyx_stop_cnt>=X"AA" THENyyx_stop_cnt<=X"00";state<=state_idle;ELSEyyx_stop_cnt<=yyx_stop_cnt+1;state<=state_stop;END IF;WHEN OTHERS=>state<=state_idle;END CASE;END IF;END PROCESS;end Behavioral;发送部分有两个输入和一个输出。
fpga串口通信的verilog驱动
fpga串⼝通信的verilog驱动 串⼝的全程为串⾏接⼝，也称为串⾏通信接⼝，是采⽤串⾏通信⽅式的扩展接⼝。
与串⼝对应的并⾏接⼝，例如⾼速AD和DA，这些都是⽤的并⾏接⼝，⽽且在编程也简单⼀些。
串⼝有⼀下特点： （1）通信线路简单，只要⼀对传输线就可以实现双向通信。
（2）布线简单，成本低。
（3）通信距离长，可以实现数⽶到数千⽶的通信距离。
（4）传输速率慢。
常见的串⼝速率如4800 ， 9600 ， 115200bps，代表每秒钟发送多少bit数据，例如9600bps就代表1秒内发送9600bit数据。
串⼝协议：协议⽐较简单，⼀般都是10位数据，1个起始位低电平，然后⼋个数据位，低位在前，⼀个奇偶校验位，平时⼀般不⽤，最后是⼀位停⽌位⾼电平，这样⼀帧数据发送结束。
下⾯介绍⼀下我的程序框架： 整体框架分为两个部分：⼀个是串⼝驱动部分另⼀个是串⼝数据控制部分。
串⼝驱动部分负责串⼝驱动和波特率的选择，串⼝数据控制模块 负责控制数据内容的控制和发送速度的控制。
从上⾯时序图可以看出，每10ms发送⼀帧数据，这⾥data_en负责波特率驱动使能，uart_tx_end有两个功能，⼀个是关闭data_en使能，另⼀个是给10ms计数器清零。
/*-----------------------------------------------------------------------Date : 2017-09-03Description : Design for uart_driver.-----------------------------------------------------------------------*/ module uart_tx_driver(//global clockinput clk , //system clock input rst_n , //sync reset//uart interfaceoutput reg uart_tx ,//user interfaceinput [1:0] bps_select , //波特率选择input [7:0] uart_data ,input data_en , //发送数据使能output reg uart_tx_end);//--------------------------------//Funtion : 参数定义parameter BPS_4800 = 14'd10417 ,BPS_9600 = 14'd5208 ,BPS_115200 = 14'd434 ;reg [13:0] cnt_bps_clk ;reg [13:0] bps ;reg bps_clk_en ; //bps使能时钟reg [3:0] bps_cnt ;wire [13:0] BPS_CLK_V = bps >> 1 ;//--------------------------------//Funtion : 波特率选择always @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)bps <= 1'd0;else if(bps_select == 2'd0)bps <= BPS_115200;else if(bps_select == 2'd1)bps <= BPS_9600;elsebps <= BPS_4800;end//--------------------------------//Funtion : 波特率计数always @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)cnt_bps_clk <= 1'd0;else if(cnt_bps_clk >= bps - 1 && data_en == 1'b0)cnt_bps_clk <= 1'd0;elsecnt_bps_clk <= cnt_bps_clk + 1'd1;end//--------------------------------//Funtion : 波特率使能时钟always @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)bps_clk_en <= 1'd0;else if(cnt_bps_clk == BPS_CLK_V - 1)bps_clk_en <= 1'd1;elsebps_clk_en <= 1'd0;end//--------------------------------//Funtion : 波特率帧计数always @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)bps_cnt <= 1'd0;else if(bps_cnt == 11)bps_cnt <= 1'd0;else if(bps_clk_en)bps_cnt <= bps_cnt + 1'd1;end//--------------------------------//Funtion : uart_tx_endalways @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)uart_tx_end <= 1'd0;else if(bps_cnt == 11)uart_tx_end <= 1'd1;elseuart_tx_end <= 1'd0;end//--------------------------------//Funtion : 发送数据always @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)uart_tx <= 1'd1;else case(bps_cnt)4'd0 : uart_tx <= 1'd1;4'd1 : uart_tx <= 1'd0; //begin4'd2 : uart_tx <= uart_data[0];//data4'd3 : uart_tx <= uart_data[1];4'd4 : uart_tx <= uart_data[2];4'd5 : uart_tx <= uart_data[3];4'd6 : uart_tx <= uart_data[4];4'd7 : uart_tx <= uart_data[5];4'd8 : uart_tx <= uart_data[6];4'd9 : uart_tx <= uart_data[7];4'd10 : uart_tx <= 1; //stopdefault : uart_tx <= 1;endcaseendendmodule/*-----------------------------------------------------------------------Date : 2017-XX-XXDescription : Design for .-----------------------------------------------------------------------*/module uart_tx_control(//global clockinput clk , //system clockinput rst_n , //sync reset//user interfaceoutput reg [7:0] uart_data ,output reg data_en ,input uart_tx_end);//--------------------------------//Funtion : 参数定义parameter DELAY_10MS = 500_000 ;reg [31:0] cnt_10ms ;wire delay_10ms_done ;//data definereg [31:0] cnt_1s;//--------------------------------//Funtion : cnt_10msalways @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)cnt_10ms <= 1'd0;else if(cnt_10ms == DELAY_10MS - 1 && uart_tx_end == 1'd1)cnt_10ms <= 1'd0;elsecnt_10ms <= cnt_10ms + 1'd1;endassign delay_10ms_done = (cnt_10ms == DELAY_10MS - 1) ? 1'd1 : 1'd0; //--------------------------------//Funtion : data_enalways @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)data_en <= 1'd0;else if(delay_10ms_done)data_en <= 1'd1;else if(uart_tx_end)data_en <= 1'd0;end///////////////////////数据测试///////////////////////////////--------------------------------//Funtion : cnt_1salways @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)cnt_1s <= 1'd0;else if(cnt_1s == 49_999_999)cnt_1s <= 1'd0;elsecnt_1s <= cnt_1s + 1'd1;end//--------------------------------//Funtion : uart_dataalways @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)uart_data <= 1'd0;else if(uart_data >= 10)uart_data <= 1'd0;else if(cnt_1s == 49_999_999)uart_data <= uart_data + 1'd1; endendmodule。
VHDL语言与FPGA设计 实验报告
VHDL语言与FPGA设计实验报告学院：班级：姓名：学号：指导老师：常州工学院实验1：2选1多路选择器设计一、实验目的：熟悉QuartusⅡ的VHDL文本设计流程全过程，学习简单组合电路的设计、仿真和硬件测试。
二、实验内容：1.首先利用QuartusⅡ完成2选1多路选择器的文本编辑输入(mux21a.vhd)和仿真测试等步骤，给出仿真波形。
最后在实验系统上进行硬件测试，验证本项设计的功能。
2.引脚锁定以及硬件下载测试。
建议选实验电路模式No.5，用键1(PIO0)控制s（或s接clock2）；a和b分别接clock0和clock5；输出信号y接扬声器speaker。
通过短路帽选择clock0接256Hz信号，clock5接1024Hz。
最后进行编译、下载和硬件测试实验（通过选择键1，控制a、b，可使扬声器输出不同音调）。
逻辑电路图三、程序设计：library ieee;--use ieee.std_logic_1164.all;--ENTITY mux21a ISPORT ( a, b, s: IN BIT;y : OUT BIT );END ENTITY mux21a;ARCHITECTURE one OF mux21a ISBEGINPROCESS (a,b,s)BEGINIF s = '0' THENy <= a ; ELSEy <= b ;END IF;END PROCESS;END ARCHITECTURE one ;程序分析：这是一个2选1多路选择器，a和b分别为两个数字输入端的端口名，s为通道选择控制信号输入端的端口名，y为输出端的端口名。
四、软件编译选择Peocessing Start Compilation命令，启动全程编译。
编译无错后的报告信息五、时序仿真1）打开波形编辑器选择File->new,选择vector waveform file。
基于FPGA的串口通讯设计
基于FPGA的串口通讯设计随着科技的不断发展，现场可编程门阵列（FPGA）因其高度的灵活性和强大的数据处理能力，日益成为通讯系统设计的重要选择。
串口通讯作为一种常见的通讯方式，广泛应用于各种设备之间的数据传输。
本文将探讨如何将FPGA应用于串口通讯设计，以期提高通讯效率和稳定性。
在本文中，我们将首先确定合适的主控芯片，然后设计基于FPGA的串口通讯电路，并对FPGA资源进行合理配置。
接下来，我们将介绍如何实现串口通讯算法，以提高通讯效率和稳定性。
在基于FPGA的串口通讯设计中，我们需要考虑以下电路元件的选择和设计：电阻分压器：用于降低输入信号的电压，以适应FPGA的输入范围。
晶体振荡器：为FPGA提供时钟信号，确保设备的同步运行。
电源转换器：将外部电源转换为FPGA所需的电压和电流范围。
我们还需要根据实际需求，设计串口通讯电路的功能模块，如数据发送、数据接收等。
在基于FPGA的串口通讯设计中，我们需要根据实际需求，合理分配FPGA内部资源。
具体来说，我们需要：锁相环（PLL）：用于倍频和分频时钟信号，实现高速数据传输。
信号输出：驱动外部设备，如LED、LCD等。
在实现串口通讯算法时，我们首先需要定义通讯协议，包括数据格式、波特率、校验位等。
然后，我们可以使用流程图等方式，明确算法实现步骤。
例如：实验验证为了验证基于FPGA的串口通讯设计的可行性和可靠性，我们搭建了实验环境，并进行了以下测试：功能测试：检测电路各功能模块是否正常工作，如数据发送、数据接收等。
性能测试：测试通讯速率、稳定性、抗干扰能力等指标。
协议兼容性测试：检测算法是否兼容不同串口通讯协议。
长时间运行测试：检测系统在长时间运行下的稳定性和可靠性。
通过以上实验测试，我们发现基于FPGA的串口通讯设计在通讯速率、稳定性、抗干扰能力等方面均具有显著优势，能满足多种应用场景的需求。
同时，该设计具有较好的协议兼容性和可扩展性，能根据不同需求进行定制化扩展。
FPGA VHDL串口
时钟4分频，freqd_dff.vhd文件clk_in：时钟输入clk_out：时钟输出---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;library altera;use altera.maxplus2.all;entity freqd_dff isgeneric(n: integer :=2);port(clk_in: in std_logic;clk_out: out std_logic);end freqd_dff;architecture freqd_dff_arch of freqd_dff issignal q: std_logic_vector(0 to n);beginq(0) <= clk_in;G1: for i in 0 to (n-1) generateUx: dff port map(not q(i+1), q(i), '1', '1', q(i+1));end generate;clk_out <= q(n);end freqd_dff_arch;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------波特率产生，clock.vhd文件clk:50m时钟clk_out:4倍的波特率时钟sel:波特率选择端，可接拨动开关。
00:1200的波特率01:960010:3840011:115200的波特率---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;library altera;use altera.maxplus2.all;entity clock isport(clk: in std_logic;clk_out: out std_logic;sel: in std_logic_vector(1 downto 0));end clock;architecture clock_arch of clock issignal count: std_logic_vector(31 downto 0);constant step96: integer :=3298535;--3298535：9600；constant step11: integer :=39582419;--115200；constant step12: integer :=412317;--1200;constant step38: integer := 13194139;--38400;signal step: integer;beginstep <= step12 when sel= "00" elsestep96 when sel= "01" elsestep38 when sel= "10" elsestep11;process( clk )beginif rising_edge(clk) thencount <= count + step;end if;end process;clk_out <= count(31);end clock_arch;串口接收，recvive.vhd文件clk:4倍的波特率时钟reset:复位端，低电平’0’复位rx:串口rxrx_done:接收完成，1时完成接收rx_buf:接收的数据--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;use ieee.std_logic_arith.all;entity recvive isgeneric(framlent:integer:=8);Port(clk, reset: std_logic;rxbuf: out std_logic_vector(7 downto 0);rx: in std_logic;rx_done: out std_logic);end recvive;architecture behave of recvive issignal txen: std_logic;beginrx_done <= not txen;process(clk, reset)variable txreg: std_logic_vector(35 downto 0);beginif reset='0' thentxreg := (others =>'0');elsif rising_edge(clk) thenif txen = '1' thentxreg(35 downto 1) := txreg(34 downto 0);txreg(0) := rx;end if;end if;rxbuf <= txreg(2)&txreg(6)&txreg(10)&txreg(14)&txreg(18)&txreg(22)&txreg(26)&txreg(30);end process;process(clk, reset)variable tcnt: std_logic_vector(5 downto 0);beginif reset='0' thentxen <= '0';elsif rising_edge(clk) thenif txen ='0' thentxen <= not rx;elseif tcnt = "100011" thentxen <= '0';end if;end if;end if;if reset='0' thentcnt := "000000";elsif rising_edge(clk) thenif txen ='1' thentcnt := tcnt + 1;elsetcnt := "000000";end if;end if;end process;end behave;---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 串口发送，recvive.vhd文件clk:倍的波特率时钟reset:复位端，低电平’0’复位send：发送信号，高电平开始发送tx:串口txtx_done:发送完成，1时完成发送tx_buf:要发送的数据---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;use ieee.std_logic_arith.all;entity transferz isgeneric(framlent:integer:=8);Port(clk, reset, send: in std_logic;txbuf: in std_logic_vector(7 downto 0);tx: out std_logic;tx_done: out std_logic);end transferz;architecture behave of transferz issignal txen: std_logic;begintx_done <= not txen;process(clk, reset)variable txreg: std_logic_vector(9 downto 0):="1111111111";beginif reset='0' thentxreg := "1111111111";elsif rising_edge(clk) thenif txen = '0' thentxreg(9 downto 2) := txbuf(7 downto 0);txreg(0) := '1';txreg(1) := '0';elsetxreg(8 downto 0) := txreg(9 downto 1);txreg(9) := '1';end if;end if;tx <= txreg(0);end process;process(clk, reset)variable tcnt: std_logic_vector(3 downto 0) :="0000";beginif reset='0' thentxen <= '0';elsif rising_edge(clk) thenif txen ='0' thentxen <= send;elseif tcnt = "1111" thentxen <= '0';end if;end if;end if;if reset='0' thentcnt := "0000";elsif rising_edge(clk) thenif txen ='1' thentcnt := tcnt + 1;elsetcnt := "0000";end if;end if;end process;end behave;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------总设计图，chuankou.bdfclk:50m的时钟输入。
基于vhdl的fpga串口通信
基于vhdl 的fpga 串口通信-- 本模块的功能是验证实现和PC 机进行差不多的串口通信的功能。
需要在--PC 机上安装一个串口调试工具来验证程序的功能。
--程序实现了一个收发一帧10个bit （即无奇偶校验位）的串口控--制器，10个bit 是1 位起始位，8 个数据位，1 个终止--位。
串口的波特律由程序中定义的div_par参数决定，更换该参数能够实--现相应的波特率。
程序当前设定的div_par的值是0x104,对应的波特率是--9600。
用一个8倍波特率的时钟将发送或同意每一位bit 的周期时刻--划分为8 个时隙以使通信同步.--程序的工作过程是：串口处于全双工工作状态,按动key2, CPLD 向PC 发送皐elcome"--字符串（串口调试工具设成按ASCII码同意方式）；PC可随时向CPLD 发送0-F 的十六进制--数据, CPLD 同意后显示在7 段数码管上。
library IEEE;use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY UART ISPORT (clk : IN std_logic;rst : IN std_logic;rxd : IN std_logic; --串行数据接收端txd : OUT std_logic; --串行数据发送端OUT std_logic_vector(7 downto0); -- 数码管使能seg_data : OUT std_logic_vector(7 DOWNTO 0); --数码管数据key_input : IN std_logic --按键输入);END UART;ARCHITECTURE arch OF UART IS--//////////////////inner reg////////////////////SIGNAL div_reg : std_logic_vector(15 DOWNTO 0);--分频计数器，分频值由波特率决定。
VHDL语言与FPGA设计实验报告
VHDL语言与FPGA设计实验报告一、实验目的本实验的目的是通过学习VHDL语言和FPGA设计，掌握基本的VHDL语法和FPGA设计方法，能够独立完成简单的数字电路系统设计。
二、实验原理和方法1.VHDL语言简介VHDL是Very High Speed Integrated Circuit HardwareDescription Language的缩写，是一种用于数字电路的硬件描述语言。
VHDL语言可以描述电路的行为和结构，通过编写VHDL代码可以实现数字电路的功能。
在本实验中，我们将使用VHDL语言来描述数字电路的功能。
2.FPGA设计FPGA是Field-Programmable Gate Array的缩写，是一种可编程逻辑器件。
通过FPGA芯片上的可编程逻辑资源，我们可以将VHDL代码烧录到FPGA芯片中，实现我们所需的数字电路功能。
在本实验中，我们将使用FPGA来实现我们设计的数字电路。
三、实验步骤1.熟悉VHDL语言的基本语法和常用关键字。
2.使用VHDL语言编写一个简单的数字电路的描述，例如一个全加器。
3. 使用Xilinx ISE软件创建一个新的工程，并将VHDL代码添加到工程中。
4.根据设计要求，在ISE中进行逻辑综合和布线。
6.检验数字电路的功能。
7.编写实验报告，总结实验过程和结果。
四、实验结果和分析五、实验心得通过本实验，我学到了VHDL语言的基本语法和FPGA设计的基本步骤。
我了解到VHDL语言可以描述数字电路的功能，并通过FPGA芯片来实现这些功能。
在实验过程中，我遇到了一些问题，例如VHDL语法的错误和逻辑综合的问题，但通过与同学和老师的讨论，我成功解决了这些问题。
这次实验让我更深入地理解了数字电路的设计过程，并提高了我解决问题的能力。
综上所述，通过本实验，我成功地掌握了VHDL语言和FPGA设计的基本原理和方法，并能够独立完成简单的数字电路系统设计。
这对我今后的学习和工作有很大的帮助。
通过FPGA与VHDL设计三线制同步串行通信控制器并进行功能仿真
通过FPGA与VHDL设计三线制同步串行通信控制器并进行功能仿真同步串行通信在航天工程领域中有着广泛的应用，其中，三线制同步串行通信以其连线少、操作方便、通信速度快等特点，被成功应用在与外围串行设备的数据通信中。
目前大多数微控制器或微处理器都配置有同步串行通信接口，但含有三线制同步串行通信接口的微控制器或微处理器却不多，因此在需要应用三线制进行通信的场合，就需要对系统进行三线制同步串行通信接口的扩展，利用FPGA[2]可以实现三线制同步串行通信。
由于FPGA具有工作速度高、可配置性强、灵活性好等突出优点，可以满足高速同步串行通信。
根据三线制同步串行通信机制，通过采用Xilinx公司的FPGA器件[3]设计并实现了三线制同步串行通信控制器的IP软核。
该控制器具有高速、易调试、配置灵活等优点，有效利用了FPGA内部硬件资源，减小了系统体积，缩短了系统开发周期。
1 三线制同步串行通信机制介绍在计算机领域内，有串行传送和并行传送两种数据传送方式。
并行数据传送中，数据在多条并行1 bit宽的传输线上同时由源端传送到目的端，这种传送方式也称为比特并行或字节串行。
串行数据传送中，数据在单条1 bit宽的传输线上，逐位按顺序分时传送。
同步传输过程中，发送端和接收端必须使用共同的时钟源才能保证它们之间的准确同步。
同步传输时，在帧同步脉冲信号触发下，串行数据信息以连续的形式发送，每个时钟周期发送1 bit数据。
因此，同步传输时数据成批连续发送，信息字符间不留任何空隙，它严格按照约定的速率发送和接收。
为达到接收和发送的准确同步，通常在发送端利用编码器把要发送的数据和发送时钟组合在一起，通过传输线发送到接收端，在接收端再用解码器从数据流中分离出接收时钟。
常用的编码解码器有曼彻斯*和NRZ-L码。
三线制同步串行通信采用的码型为NRZ-L码，其时序逻辑关系如图1所示。
图1三线制同步串行通信逻辑关系图三线制同步信号包括：帧同步信号、时钟信号和串行数据，通常采用中断方式接收。
基于FPGA实现的高速串口传输技术与实现
（5）将配置位流文件下载到FPGA芯片中，进行实际运行和测试。
4、结论
本次演示设计和实现了一种基于FPGA的以太网和串口数据传输系统，实现了 高速、高效的数据传输和共享。本系统的优点在于具有高度的灵活性和可扩展性， 可以方便地根据实际需要进行功能扩展和优化。由于采用了FPGA技术，本系统还 具有体积小、功耗低、可靠性高等优点，可以广泛应用于各种嵌入式系统和智能 设备中。
为了更好地实现基于FPGA的高速光纤通信数据传输技术，需要以下几个方面：
1.优化硬件设计：根据具体的应用场景和需求，选择合适的FPGA芯片和硬件 组件，并对其进行优化设计，以实现更高效的数据传输和处理。
2.完善软件算法：利用FPGA的并行处理能力和数字信号处理算法，进一步完 善软件算法，提高数据处理速度和可靠性。
最后，为了提高稳定性和可靠性，可以研究更为高效的错误检测和纠正算法， 以及研究如何提高数据传输的鲁棒性。
总结
本次演示介绍了基于FPGA实现的高速串口传输技术与实现。通过利用FPGA的 灵活性和高效性，我们成功地实现了高速串口传输技术，并在速度测试中验证了 其优势。然而，也需要注意到这种技术存在的不足和挑战。未来，高速串口传输 技术将会朝着更高速度、更低成本、更稳定可靠的方向发展。
参考内容
随着信息时代的到来，数据传输的速度和可靠性成为了关键的要素。光纤通 信作为一种现代化的数据传输方式，具有传输速度快、容量大、抗干扰能力强等 优点，被广泛应用于各个领域。为了进一步提升光纤通信的性能，基于FPGA（现 场可编程门阵列）的高速光纤通信数据传输技术得到了广泛的研究与实现。
FPGA是一种高度灵活的芯片，可以由用户进行编程配置，实现各种不同的逻 辑功能。在光纤通信领域，FPGA可以被用于实现数据编解码、信号调制解调、误 码纠正等功能，从而提升数据传输的速度和可靠性。
基于某FPGA与PC串口自收发通信-Verilog
FPGA与PC串口自收发通信实现的功能如题，就是FPGA里实现从PC接收数据，然后把接收到的数据发回去。
使用的是串口UART协议进行收发数据。
上位机用的是通用的串口调试助手。
发送数据的波特率可选9600bps,19200bps,38400bps,57600bps,115200bps 等，是可调的。
发送格式为：1bit起始位，8bit数据，1bit停止位，无校验位。
以下的代码有比较详细的注释，经过下载验证，存在误码率（<5%），仅供学习！代码如下：（顶层模块）：module my_uart_top(clk,rst_n,rs232_rx,rs232_tx);input clk;// 50MHz主时钟input rst_n;//低电平复位信号input rs232_rx;// RS232接收数据信号output rs232_tx;//RS232发送数据信号wire bps_start;//接收到数据后，波特率时钟启动信号置位wire clk_bps;// clk_bps的高电平为接收或者发送数据位的中间采样点wire[7:0] rx_data;//接收数据寄存器，保存直至下一个数据来到wire rx_int;//接收数据中断信号,接收到数据期间始终为高电平//---------------------------------------------------- speed_selectspeed_select(.clk(clk),//波特率选择模块，接收和发送模块复用，不支持全双工通信.rst_n(rst_n),.bps_start(bps_start),.clk_bps(clk_bps));my_uart_rxmy_uart_rx(.clk(clk),//接收数据模块.rst_n(rst_n),.rs232_rx(rs232_rx), .clk_bps(clk_bps),.bps_start(bps_start), .rx_data(rx_data),.rx_int(rx_int));my_uart_txmy_uart_tx(.clk(clk),//发送数据模块.rst_n(rst_n),.clk_bps(clk_bps),.rx_data(rx_data),.rx_int(rx_int),.rs232_tx(rs232_tx),.bps_start(bps_start));endmodulemodule speed_select(clk,rst_n,bps_start,clk_bps); input clk;// 50MHz主时钟input rst_n;//低电平复位信号input bps_start;//接收到数据后，波特率时钟启动信号置位output clk_bps;// clk_bps的高电平为接收或者发送数据位的中间采样点parameterbps9600= 5207,//波特率为9600bpsbps19200= 2603,//波特率为19200bpsbps38400= 1301,//波特率为38400bpsbps57600= 867,//波特率为57600bpsbps115200= 433;//波特率为115200bpsparameterbps9600_2= 2603,bps19200_2= 1301,bps38400_2= 650,bps57600_2= 433,bps115200_2 = 216;reg[12:0] bps_para;//分频计数最大值reg[12:0] bps_para_2;//分频计数的一半reg[12:0] cnt;//分频计数reg clk_bps_r;//波特率时钟寄存器//---------------------------------------------------------- reg[2:0] uart_ctrl;// uart波特率选择寄存器//---------------------------------------------------------- always (posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n) beginuart_ctrl <= 3'd0;//默认波特率为9600bps endelse begincase (uart_ctrl)//波特率设置3'd0:beginbps_para <= bps9600; bps_para_2 <= bps9600_2; end3'd1:beginbps_para <= bps19200;bps_para_2 <= bps19200_2; end3'd2:beginbps_para <= bps38400; bps_para_2 <= bps38400_2; end3'd3:beginbps_para <= bps57600; bps_para_2 <= bps57600_2; end3'd4:beginbps_para <= bps115200;bps_para_2 <= bps115200_2;enddefault: ;endcaseendendalways (posedge clk or negedge rst_n)if(!rst_n) cnt <= 13'd0;else if(cnt<bps_para && bps_start) cnt <= cnt+1'b1;//波特率时钟计数启动else cnt <= 13'd0;always (posedge clk or negedge rst_n)if(!rst_n) clk_bps_r <= 1'b0;else if(cnt==bps_para_2 && bps_start) clk_bps_r <= 1'b1;// clk_bps_r高电平为接收或者发送数据位的中间采样点else clk_bps_r <= 1'b0;assign clk_bps = clk_bps_r;endmodulemodule my_uart_rx(clk,rst_n,rs232_rx,clk_bps,bps_start,rx_data,rx_int);input clk;// 50MHz主时钟input rst_n;//低电平复位信号input rs232_rx;// RS232接收数据信号input clk_bps;// clk_bps的高电平为接收或者发送数据位的中间采样点output bps_start;//接收到数据后，波特率时钟启动信号置位output[7:0] rx_data;//接收数据寄存器，保存直至下一个数据来到output rx_int;//接收数据中断信号,接收到数据期间始终为高电平//---------------------------------------------------------------- reg rs232_rx0,rs232_rx1,rs232_rx2;//接收数据寄存器，滤波用wire neg_rs232_rx;//表示数据线接收到下降沿always (posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n) beginrs232_rx0 <= 1'b1;rs232_rx1 <= 1'b1;rs232_rx2 <= 1'b1;endelse beginrs232_rx0 <= rs232_rx;rs232_rx1 <= rs232_rx0;rs232_rx2 <= rs232_rx1;endendassign neg_rs232_rx = rs232_rx2 & ~rs232_rx1; //接收到下降沿后neg_rs232_rx置高一个时钟周期//---------------------------------------------------------------- reg bps_start_r;reg[3:0]num;//移位次数reg rx_int;//接收数据中断信号,接收到数据期间始终为高电平always (posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n) beginbps_start_r <= 1'bz;rx_int <= 1'b0;endelse if(neg_rs232_rx) beginbps_start_r <= 1'b1;//启动接收数据rx_int <= 1'b1;//接收数据中断信号使能endelse if(num==4'd12) beginbps_start_r <= 1'bz;//数据接收完毕rx_int <= 1'b0;//接收数据中断信号关闭endendassign bps_start = bps_start_r;//---------------------------------------------------------------- reg[7:0] rx_data_r;//接收数据寄存器，保存直至下一个数据来到//----------------------------------------------------------------reg[7:0]rx_temp_data;//但前接收数据寄存器reg rx_data_shift;//数据移位标志always (posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n) beginrx_data_shift <= 1'b0;rx_temp_data <= 8'd0;num <= 4'd0;rx_data_r <= 8'd0;endelse if(rx_int) begin//接收数据处理if(clk_bps) begin//读取并保存数据,接收数据为一个起始位，8bit数据，一个结束位rx_data_shift <= 1'b1;num <= num+1'b1;if(num<=4'd8) rx_temp_data[7] <= rs232_rx;//锁存9bit（1bit起始位，8bit数据）endelse if(rx_data_shift) begin//数据移位处理rx_data_shift <= 1'b0;if(num<=4'd8) rx_temp_data <= rx_temp_data >> 1'b1; //移位8次，第1bit起始位移除，剩下8bit正好时接收数据else if(num==4'd12) beginnum <= 4'd0;//接收到STOP位后结束,num清零rx_data_r <= rx_temp_data;//把数据锁存到数据寄存器rx_data中endendendendassign rx_data = rx_data_r;endmodulemodule my_uart_tx(clk,rst_n,clk_bps,rx_data,rx_int,rs232_tx,bps_start);input clk;// 50MHz主时钟input rst_n;//低电平复位信号input clk_bps;// clk_bps的高电平为接收或者发送数据位的中间采样点input[7:0] rx_data;//接收数据寄存器input rx_int;//接收数据中断信号,接收到数据期间始终为高电平,在次利用它的下降沿来启动发送数据output rs232_tx;// RS232发送数据信号output bps_start;//接收或者要发送数据，波特率时钟启动信号置位//--------------------------------------------------------- reg rx_int0,rx_int1,rx_int2;//rx_int信号寄存器，捕捉下降沿滤波用wire neg_rx_int;// rx_int下降沿标志位always (posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n) beginrx_int0 <= 1'b0;rx_int1 <= 1'b0;rx_int2 <= 1'b0;endelse beginrx_int0 <= rx_int;rx_int1 <= rx_int0;rx_int2 <= rx_int1;endendassign neg_rx_int =~rx_int1 & rx_int2;//捕捉到下降沿后，neg_rx_int拉地保持一个主时钟周期//--------------------------------------------------------- reg[7:0] tx_data;//待发送数据的寄存器//--------------------------------------------------------- reg bps_start_r;reg tx_en;//发送数据使能信号，高有效reg[3:0] num;always (posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n) beginbps_start_r <= 1'bz;tx_en <= 1'b0;tx_data <= 8'd0;endelse if(neg_rx_int) begin//接收数据完毕，准备把接收到的数据发回去bps_start_r <= 1'b1;tx_data <= rx_data;//把接收到的数据存入发送数据寄存器tx_en <= 1'b1;//进入发送数据状态中endelse if(num==4'd11) begin//数据发送完成，复位bps_start_r <= 1'bz;tx_en <= 1'b0;endendassign bps_start = bps_start_r;//--------------------------------------------------------- reg rs232_tx_r;always (posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n) beginnum <= 4'd0;rs232_tx_r <= 1'b1;endelse if(tx_en) beginif(clk_bps)beginnum <= num+1'b1;case (num)4'd0:rs232_tx_r <= 1'b0;//发送起始位4'd1:rs232_tx_r <= tx_data[0]; //发送bit04'd2://发送bit14'd3: rs232_tx_r <= tx_data[2]; //发送bit24'd4: rs232_tx_r <= tx_data[3]; //发送bit34'd5: rs232_tx_r <= tx_data[4]; //发送bit44'd6: rs232_tx_r <= tx_data[5]; //发送bit54'd7:rs232_tx_r <= tx_data[6];//发送bit64'd8: rs232_tx_r <= tx_data[7]; //发送bit7//发送结束位default: rs232_tx_r <= 1'b1;endcaseendelse if(num==4'd11) num <= 4'd0; //复位endendassign rs232_tx = rs232_tx_r;endmodule。
FPGA串口通信汇总
FPGA实验报告目录FPGA实验报告 (1)目录 (1)基于VHDL的串口通信实现设计 (3)摘要 (3)正文 (3)1•研究背景知识 (3)1.1串口简介 (3)1.2串口通信参数 (3)2. 系统整体设计 (5)2.1系统框图 (5)2.2原理图 (5)2.3管脚介绍： (6)3. 系统模块设计 (6)3.1分频模块 (6)3.11流程图 (6)3.12程序 (7)3.2接收模块 (8)3.21流程图 (8)3.22程序 (9)3.3发送模块 (10)3.31流程图 (10)3.32 程序 (11)4. 系统调试 (12)4.1时序调试 (12)4.2硬件调试 (13)5. 总结 (14)基于VHDL的串口通信实现设计摘要串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议，其特点是通信线路简单，成本低，特别适用于远距离通信，因此有较为广泛的应用。
为了深入了解串口，本课程设计基于VHDL语言，利用FPGA开发板实现了板间串口通信。
在程序设计中，考虑到串口波特率、数据格式等参数，共采用了四个模块：分频模块（即波特率产生模块），接受模块，发送模块，显示模块。
通过软件和开发板调试，实现了板和串口调试助手收发数据，软件改变波特率等参数，并在数码管显示的功能。
关键词：串口VHDL FPGA分频接收发送显示正文1.研究背景知识1.1串口简介串行接口Serial In terface是指数据一位一位地顺序传送，其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信（可以直接利用电话线作为传输线）从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信，但传送速度较慢。
串口通信的两种最基本的方式：同步串行通信方式和异步串行通信方式。
1・2串口通信参数双方为了可以进行通信，必须要遵守一定的通信规则，这个共同的规则就是通信端口的初始化。
通信端口的初始化有以下几项必须设置：1. 数据的传输速率传输双方通过传输线的电压改变来交换数据，但传输线的电压改变的速度必须和接收端的接收速度保持一致，RS-232通常用于异步传输，即双方并没有一个可参考的同步时钟作为基准。
FPGA串口通信
FPGA串⼝通信FPGA实现串⼝通信⽬录摘要 (1)1 绪论 (2)1.1 选题背景 (2)1.1.1课题相关技术的发展 (2)1.1.2 课题研究的必要性 (3)1.2 课题研究的内容 (3)2 FPGA及其开发环境简介 (4)2.1 FPGA简介 (4)2.1.1 FPGA概述 (4)2.1.2 FPGA基本结构 (4)2.1.3 FPGA系统设计流程 (5)2.1.4 FPGA开发编程原理 (7)2.2 Quartus II9.1集成开发环境简介 (7)2.3VHDL硬件描述语⾔简介 (8)2.3.1基本介绍 (8)2.3.2 VHDL系统设计的特点 (9)2.3.3VHDL系统优势 (9)3 串⼝通信总体设计⽅案 (10)3.1串⼝通信的原理图 (10)3.2 设计的基本要求 (10)4 串⼝通信各单元电路设计 (11)4.1 RS-232发送顶层模块发送模块设计 (11)4.2 RS-232接收顶层模块设计 (14)4.3 显⽰模块 (18)5 实验结论与研究展望 (21)5.1 实验结论 (21)5.2 研究展望 (21)致谢.......................................... 错误！未定义书签。
主要参考⽂献.. (22)摘要本设计⽤接⼝芯⽚的VHDL的设计⽅法，通过对MAX232串⾏通总线接⼝的设计，掌握发送与接收电路的基本设计思路，并进⾏串⼝通信。
本设计⽤⽂本输⼊法实现串⼝通信的发送与接收电路的设计。
采⽤VHDL语⾔设计分频模块、发⽣模块、接收模块和显⽰模块；⽤键盘输⼊及串⼝调试软件调试；拨码开关开关控制发送资料，并在串⼝调试软件环境下显⽰，数码管显⽰出接收到的数据。
关键词硬件描述语⾔；VHDL；FPGA；RS232界⾯AbstractThis design using the interface chip design method, through the VHDL for MAX232 serial links bus interface design, grasps the sending and receiving circuit design, the basic and serial interface communication.This design using text input method of realization of serial communication sending and receiving circuit design. Using VHDL language design frequency module, producing module, receiving module and display module, Use the keyboard input and serial debugging software debugging, Dial the code switch switch control, and send data in serial adjustment under software environment display, digital pipe showed received data.Keywords hardware description language, VHDL, The FPGA, RS232 interface1 绪论现代社会的标志之⼀就是信息产品的⼴泛使⽤，⽽且是产品的性能越来越强，复杂程度越来越⾼，更新步伐越来越快。
VHDL串口程序
实现单片机与FPGA的串口通信根据RS232 异步串行通信来的帧格式，在FPGA发送模块中采用的每一帧格式为：1位开始位+8位数据位+1位奇校验位+1位停止位，波特率为2400。
本系统设计的是将一个16位的数据封装成高位帧和低位帧两个帧进行发送，先发送低位帧，再发送高位帧，在传输数据时，加上文件头和数据长度，文件头用555555来表示，只有单片机收到555555时，才将下面传输的数据长度和数据位进行接收，并进行奇校验位的检验，正确就对收到的数据进行存储处理功能，数据长度可以根据需要任意改变。
由设置的波特率可以算出分频系数，具体算法为分频系数X=CLK/(BOUND*2)。
可由此式算出所需的任意波特率。
下面是实现上述功能的VHDL源程序。
Library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity atel2_bin isport( txclk: in std_logic; --2400Hz的波特率时钟reset: in std_logic; --复位信号din: in std_logic_vector(15 downto 0); --发送的数据start: in std_logic; --允许传输信号sout: out std_logic --串行输出端口);end atel2_bin;architecture behav of atel2_bin issignal thr,len: std_logic_vector(15 downto 0);signal txcnt_r: std_logic_vector(2 downto 0);signal sout1: std_logic;signal cou: integer:=0;signal oddb:std_logic;type s is(start1,start2,shift1,shift2,odd1,odd2,stop1,stop2);signal state:s:=start1;beginprocess(txclk)beginif rising_edge(txclk) thenif cou<3 then thr<="0000000001010101"; --发送的文件头elsif cou=3 thenthr<="0000000000000010"; --发送的文件长度elsif (cou>3 and state=stop2) then thr<=din;--发送的数据end if;end if;end process;process(reset,txclk)variable tsr,tsr1,oddb1,oddb2: std_logic_vector(7 downto 0);beginif reset='1' thentxcnt_r<=(others=>'0');sout1<='1';cou<=0;elsif txclk'event and txclk='1' thencase state iswhen start1=>if start='1' thenif cou=3 thenlen<=thr;end if;tsr:=thr(7 downto 0);oddb1:=thr(7 downto 0);sout1<='0'; --起始位txcnt_r<=(others=>'0');state<=shift1;elsestate<=start1;end if;when shift1=>oddb<=oddb1(7) xor oddb1(6) xor oddb1(5) xor oddb1(4) xor oddb1(3) xor oddb1(2) xor oddb1(1) xor oddb1(0); sout1<=tsr(0); --数据位tsr(6 downto 0):=tsr(7 downto 1);tsr(7):='0';txcnt_r<=txcnt_r+1;if (txcnt_r=7) thenstate<=odd1;cou<=cou+1;end if;when odd1=> --奇校验位if oddb='1' thensout1<='0';state<=stop1;elsesout1<='1';state<=stop1;end if;when stop1=>sout1<='1'; --停止位if cou<4 thenstate<=start1;elsestate<=start2;end if;when start2=>tsr1:=thr(15 downto 8);oddb2:=thr(15 downto 8);sout1<='0'; --起始位txcnt_r<=(others=>'0');when shift2=>oddb<=oddb2(7) xor oddb2(6) xor oddb2(5) xor oddb2(4) xor oddb2(3) xor oddb2(2) xor oddb2(1) xor oddb2(0); sout1<=tsr1(0);--数据位tsr1(6 downto 0):=tsr1(7 downto 1);tsr1(7):='0';txcnt_r<=txcnt_r+1;if (txcnt_r=7) thenstate<=odd2;end if;when odd2=> --奇校验位if oddb='1' thensout1<='0';state<=stop2;elsesout1<='1';state<=stop2;end if;when stop2=>sout1<='1'; --停止位if len="0000000000000000" thenstate<=stop2;elsestate<=start1;len<=len-1;end if;end case;end if;end process;sout<=sout1;end behav;UART接收器（VHDL) 可通过串口调试LED显示最近在实现GPS数据采集，得用到UART接收器，实现串并转换。
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实验三、FPGA串行通用异步收发器设计实验目的：1、掌握QuartusII6.0等EDA工具软件的基本使用；2、熟悉VHDL硬件描述语言编程及其调试方法；3、学习用FPGA实现接口电路设计。
实验内容：本实验目标是利用FPGA逻辑资源，编程设计实现一个串行通用异步收发器。
实验环境为EDA实验箱。
电路设计采用VHDL硬件描述语言编程实现，开发软件为QuartusII6.0。
1、UART简介UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter通用异步收发器）是一种应用广泛的短距离串行传输接口。
常常用于短距离、低速、低成本的通讯中。
8250、8251、NS16450等芯片都是常见的UART器件。
基本的UART通信只需要两条信号线（RXD、TXD）就可以完成数据的相互通信，接收与发送是全双工形式。
TXD是UART发送端，为输出；RXD是UART接收端，为输入。
UART的基本特点是：（1）在信号线上共有两种状态，可分别用逻辑1（高电平）和逻辑0（低电平）来区分。
在发送器空闲时，数据线应该保持在逻辑高电平状态。
（2）起始位（Start Bit）：发送器是通过发送起始位而开始一个字符传送，起始位使数据线处于逻辑0状态，提示接受器数据传输即将开始。
（3）数据位（Data Bits）：起始位之后就是传送数据位。
数据位一般为8位一个字节的数据（也有6位、7位的情况），低位（LSB）在前，高位（MSB）在后。
（4）校验位（parity Bit）：可以认为是一个特殊的数据位。
校验位一般用来判断接收的数据位有无错误，一般是奇偶校验。
在使用中，该位常常取消。
（5）停止位：停止位在最后，用以标志一个字符传送的结束，它对应于逻辑1状态。
（6）位时间：即每个位的时间宽度。
起始位、数据位、校验位的位宽度是一致的，停止位有0.5位、1位、1.5位格式，一般为1位。
（7）帧：从起始位开始到停止位结束的时间间隔称之为一帧。
（8）波特率：UART的传送速率，用于说明数据传送的快慢。
在串行通信中，数据是按位进行传送的，因此传送速率用每秒钟传送数据位的数目来表示，称之为波特率。
如波特率9600=9600bps（位/秒）。
UART的数据帧格式为：FPGA UART系统组成：如下图所示，FPGA UART由三个子模块组成：波特率发生器；接收模块；发送模块；2、模块设计：系统由四部部分组成：顶层模块；波特率发生器；UART接收器；UART发送器1）顶层模块异步收发器的顶层模块由波特率发生器、UART接收器和UART发送器构成。
UART发送器的用途是将准备输出的并行数据按照基本UART帧格式转为TXD信号串行输出。
UART接收器接收RXD串行信号，并将其转化为并行数据。
波特率发生器就是专门产生一个远远高于波特率的本地时钟信号对输入RXD不断采样，使接收器与发送器保持同步。
2）波特率发生器波特率发生器实际上就是一个分频器。
可以根据给定的系统时钟频率（晶振时钟）和要求的波特率算出波特率分频因子，算出的波特率分频因子作为分频器的分频数。
波特率分频因子可以根据不同的应用需要更改。
3）UART接收器由于串行数据帧和接收时钟是异步的，由逻辑1转为逻辑0可以被视为一个数据帧的起始位。
然而，为了避免毛刺影响，能够得到正确的起始位信号，必须要求接收到的起始位在波特率时钟采样的过程中至少有一半都是属于逻辑0才可认定接收到的是起始位。
由于内部采样时钟bclk周期（由波特率发生器产生）是发送或接收波特率时钟频率的16倍，所以起始位需要至少8个连续bclk周期的逻辑0被接收到，才认为起始位接收到，接着数据位和奇偶校验位将每隔16个bclk周期被采样一次（即每一个波特率时钟被采样一次）。
如果起始位的确是16个bclk周期长，那么接下来的数据将在每个位的中点处被采样。
UART接收器的接收状态机接收状态机一共有5个状态：R_START（等待起始位）；R_CENTER（求中点）；R_W AIT（等待采样）；R_SAMPLE（采样）；R_STOP（停止位接收）。
R_ST ART状态当UART接收器复位后，接收状态机将处于这一个状态。
在此状态，状态机一直在等待RXD的电平跳转，从逻辑1变为逻辑0，即起始位，这意味着新的一帧UART数据帧的开始，一旦起始位被确定，状态机将转入R_CENTER状态。
状态图中的RXD_SYNC信号是RXD的同步信号，因为在进行逻辑1或逻辑0判断时，不希望检测的信号是不稳定的，所以不直接检测RXD信号，而是检测经过同步后的RXD_SYNC信号。
R_CENTER状态对于异步串行信号，为了使每一次都检测到正确的位信号，而且在较后的数据位检测时累计误差较小，显然在每位的中点检测是最为理想的。
在本状态，就是由起始位求出每位的中点，通过对bclk的个数进行计数（RCNT16），但计数值不是想当然的“1000”，要考虑经过一个状态，也即经过了一个bclk周期，所希望得到的是在采样时1/2位。
另外，可能在R_START状态检测到的起始位不是真正的起始位，可能是一个偶然出现的干扰尖脉冲（负脉冲）。
这种干扰脉冲的周期是很短的，所以可以认为保持逻辑0超过1/4个位时间的信号一定是起始位。
R_W AIT状态当状态机处于这一状态，等待计满15个bclk，在第16个bclk是进入R_SAMPLE状态进行数据位的采样检测，同时也判断是否采集的数据位长度已达到数据帧的长度（FRAMELEN），如果到来，就说明停止位来临了。
FRAMELEN在设计时是可更改的（使用了Generic），在本设计中默认为8，即对应的UART工作在8位数据位、无校验位格式。
R_SAMPLE状态即数据位采样检测，完成后无条件状态机转入R_WAIT状态，等待下次数据位的到来。
R_STOP状态无论停止位是1还是1.5位，或是2位，状态机在R_STOP不具体检测RXD，只是输出帧接收完毕信号（REC_DONE<=‘1’），停止位后状态机转回到R_START状态，等待下一个帧的起始位。
4）UART发送器发送器只要每隔16个bclk周期输出1个数据即可，次序遵循第1位是起始位，第8位是停止位。
在本设计中没有校验位，但只要改变Generic参数FrameLen，也可以加入校验位，停止位是固定的1位格式。
发送状态机的状态图发送状态机一共有5个状态：X_IDLE（空闲）；X_START（起始位）；X_WAIT（移位等待）；X_SHIFT（移位）；X_STOP（停止位）。
X_IDLE状态：当UART被复位信号复位后，状态机将立刻进入这一状态。
在这个状态下，UART的发送器一直在等待一个数据帧发送命令XMIT_CMD。
XMIT_CMD_P信号是对XMIT_CMD的处理，XMIT_CMD_P是一个短脉冲信号。
这时由于XMIT_CMD是一个外加信号，在FPGA之外，不可能对XMIT_CMD的脉冲宽度进行限制，如果XMIT_CMD有效在UART发完一个数据帧后仍然有效，那么就会错误地被认为，一个新的数据发送命令又到来了，UART发送器就会再次启动UART帧的发送，显然该帧的发送是错误的。
在此对XMIT_CMD进行了脉冲宽度的限定，XMIT_CMD_P就是一个处理后的信号。
当XMIT_CMD_P=‘1’，状态机转入X_START，准备发送起始位。
X_ST ART状态：在这个状态下，UART的发送器一个位时间宽度的逻辑0信号至TXD，即起始位。
紧接着状态机转入X_W AIT状态。
XCNT16是bclk的计数器X_W AIT状态同UART接收状态机中的R_W AIT状态类似。
X_SHIFT状态当状态机处于这一状态时，实现待发数据的并串转换。
转换完成立即回到X_WAIT状态。
X_STOP停止位发送状态，当数据帧发送完毕，状态机转入该状态，并发送16个bclk周期的逻辑1信号，即1位停止位。
状态机送完停止位后回到X_IDLE状态，并等待另一个数据帧的发送命令。
实验步骤：1、创建工程文件按照Quartus软件新建工程向导建立工程，工程名设为：uart_test（可自行命名）。
2、子模块电路设计（包括各个模块的功能仿真）1）波特率发生器程序编写：在“文件”菜单下选择“New”，在弹出的窗口点击“VHDL File”点击“OK”打开vhdl编辑窗口。
编辑输入波特率发生器程序，编辑完毕后保存，文件名保存为“baud”（注：文件名必须与程序中实体名一致）选中“Add file to current project”选项，添加当前文件到项目。
--文件名：baud.vhd.--功能：本实验想要实现的波特率为：9600，EDA实验箱上晶振频率为：4MHZ，--波特率发生器的分频数计算如下式：--4000000/（16*9600）=26library IEEE;use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;entity baud isgeneric(framlenr:integer:=26);Port (clk,resetb:in std_logic;bclk :out std_logic);end baud;architecture Behavioral of baud isbeginprocess(clk,resetb)variable cnt:integer;beginif resetb='1' then cnt:=0; bclk<='0'; --复位elsif rising_edge(clk) thenif cnt>=framlenr then cnt:=0; bclk<='1';--设置分频系数else cnt:=cnt+1; bclk<='0';end if;end if;end process;end Behavioral;文件编译：保存文件后，选择“Project”菜单，点击“Set as Top-Level Entity”项，把当前文件设置为顶层实体。
（注：Quartus环境下所有操作（综合、编译、仿真、下载等）都只对顶层实体进行，所以编译任何程序前，必须先设置该选项，把当前要编译的文件设置为顶层实体后，才能对该文件进行编译等操作）打开“Processing”菜单，点击“Start Compilation”执行完全编译状态窗口显示编译过程进度信息编译结束，系统会弹出编译结束窗口，报告错误与警告数，点击“确定”。
编译报告给出所有编译结果信息，包括硬件信息、资源占用率等。