利用FPGA實(shí)現外設通信接口之：利用FPGA實(shí)現RS-232C串行接口

10.2利用FPGA實(shí)現RS-232C串行接口

10.2.1RS-232C接口概述

RS-232C標準最初是為遠程通信連接數據終端設備DTE（DataTerminalEquipment）與數據通信設備DCE（DataCommunicationEquipment）而制定的。因此這個(gè)標準的制定，并未考慮計算機系統的應用要求。

目前，RS-232C又廣泛地應用于計算機與終端或外設之間的近端連接標準。顯然，這個(gè)標準的有些規定和計算機系統是不一致的，甚至是相矛盾的。

RS-232C標準中所提到的“發(fā)送”和“接收”，都是站在DTE立場(chǎng)上，而不是站在DCE的立場(chǎng)來(lái)定義的。由于在計算機系統中，往往是CPU和I/O設備之間傳送信息，兩者都是DTE，因此雙方都能發(fā)送和接收。

RS-232C標準（協(xié)議）的全稱(chēng)是EIA-RS-232C標準，其中EIA（ElectronicIndustryAssociation）代表美國電子工業(yè)協(xié)會(huì )，RS（Recommendedstandard）代表推薦標準，232是標識號，C代表RS232的最新一次修改（1969年）。

10.2.2RS-232C接口的電氣標準

RS-232C采用的不是TTL電平的接口標準，而是負邏輯，即邏輯“1”為−3V～−15V，邏輯“0”為+3V～+15V。

RS-232C對電器特性、邏輯電平和各種信號線(xiàn)功能都作了規定。

在TxD和RxD上：邏輯1（MARK）為3V～−15V，邏輯0（SPACE）為+3～+15V。

在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線(xiàn)上：

信號有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）為+3V～+15V；

信號無(wú)效（斷開(kāi)，OFF狀態(tài)，負電壓）為−3V～−15V。

RS-232C是用正負電壓來(lái)表示邏輯狀態(tài)，與TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規定不同。因此，為了能夠同計算機接口或終端的TTL器件連接，必須在RS-232C與TTL電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。

10.2.3RS-232C的通信協(xié)議

所謂“串行通信”是指外設和計算機間使用一根數據信號線(xiàn)（另外需要地線(xiàn)，可能還需要控制線(xiàn)），數據在一根數據信號線(xiàn)上一位一位地進(jìn)行傳輸，每一位數據都占據一個(gè)固定的時(shí)間長(cháng)度，如圖10.1所示。

圖10.1RS-232C接口的數據通信方式

這種通信方式使用的數據線(xiàn)少，在遠距離通信中可以節約通信成本，當然，其傳輸速度比并行傳輸慢。

由于FPGA與接口之間按并行方式傳輸，接口與外設之間按串行方式傳輸，因此，在串行接口中，必須要有“接收移位寄存器”（串→并）和“發(fā)送移位寄存器”（并→串）。典型的串行接口的結構如圖10.2所示。

圖10.2串行接口模塊的結構示意圖

在數據輸入過(guò)程中，數據一位一位地從外設進(jìn)入接口的“接收移位寄存器”，當“接收移位寄存器”中已接收完1個(gè)字符的各位后，數據就從“接收移位寄存器”進(jìn)入“數據輸入寄存器”。

FPGA從“數據輸入寄存器”中讀取接收到的字符，并行讀取，即D7～D0同時(shí)被讀至累加器中；“接收移位寄存器”的移位速度由“接收時(shí)鐘”確定。

在數據輸出過(guò)程中，FPGA把要輸出的字符（并行地）送入“數據輸出寄存器”，“數據輸出寄存器”的內容傳輸到“發(fā)送移位寄存器”，然后由“發(fā)送移位寄存器”移位，把數據一位一位地送到外設。“發(fā)送移位寄存器”的移位速度由“發(fā)送時(shí)鐘”確定。

接口中的“控制寄存器”用來(lái)容納FPGA送給此接口的各種控制信息，這些控制信息決定接口的工作方式。

能夠完成上述串并轉換功能的電路，通常稱(chēng)為“通用異步收發(fā)器”（UART：UniversalAsynchronousReceiverandTransmitter），包括：雙緩存發(fā)送數據寄存器、并行轉串行裝置、雙緩存輸入數據寄存器、串行轉并行裝置。

RS232通信協(xié)議基本結構如圖10.3所示，起始位低，停止位高。波特率范圍是300～115200bit/s；8位數據位；一位或兩位停止位；奇校驗、偶校驗或無(wú)校驗位。

圖10.3RS232通信協(xié)議基本結構

10.2.4RS-232C接口的典型應用

RS-232C不僅可以用來(lái)實(shí)現FPGA系統與PC之間的低速率數據傳遞，而且可以廣泛應用到工業(yè)控制和自動(dòng)化儀器儀表領(lǐng)域。RS-485和RS-422等標準與RS-232C標準一樣，協(xié)議部分也采用了UART協(xié)議，因此FPGA的實(shí)現邏輯是相同的，只是接口電平不同。

在FPGA上，可以實(shí)現多個(gè)UART單元。也就是說(shuō)，單片FPGA可以支持多個(gè)RS-232C接口，比較適合需要多個(gè)串口的場(chǎng)合。傳統的單片機（MCU）或者ARM處理器一般只能支持2～3個(gè)UART接口，在這樣場(chǎng)合就需要外圍芯片來(lái)擴展UART。