摘要：信息时代的到来，给计算机等终端带来了挑战，文章以串口通信电路为研究对象，以FPGA的应用为切入点，对电路设计要点进行了归纳，例如，协议设计、串口发送等，希望能够给人以积极影响，使FPGA所拥有效能，在该领域得到应有发挥。
关键词：串口通信；FPGA；电路设计
前言：首先应当明确一点，连接计算机和相关设备的通信电路，通常为串口通信电路，这是因为该电路拥有良好的可靠性，近几年，不断发展的科技，使人们对通信电路提出了更加严格的要求，通过优化电路的方式，对系统速度进行提高，成为大势所趋，这也是FPGA被用于电路设计的背景，本文所研究课题的价值不言而喻。
1协议设计
通信协议指的是发生在通信双方间的约定，所约定内容主要有字符定义、数据格式及传输速度，需要通信双方严格遵守。现有通信协议均为分层结构，高层协议被用来对校验方式、数据包格式进行定义，底层协议所强调重点为UART。
1.1高层协议
FPGA向上位机所发送数据，即为上行数据，反之，上位机向FPGA所发送数据，通常被称为下行数据。上行数据包拥有固定的数据长度，下行数据包往往以参数地址为研究重点，这是因为一旦有断电情况出现，无法保存的FPGA数据极易出现丢失情况，只有在EEPROM对数据进行保存，才能避免数据丢失，导致更加严重的后果出现[1]。
1.2底层协议
研究表明，UART能否发挥作用，通常取决于起始位、停止位与波特率的设置。目前，社会各界所认可的参数设置为：起始位对应低电平；停止位对应高电平；数据位为8bit，且不存在校验位。而该协议的功能，可被概括如下：对数据进行发送时，用串行数据流对电路所传递并行数据进行代替，在加设停止位、起始位的基础上，以通信协议所确定波特率为依据，完成发送数据流的操作。若要对数据进行接收，则应第一时间将停止位、起始位去掉，用字节对数据流进行代替，并向电路进行传递。
2电路设计
FPGA无UART存在，UART又是组成串口通信所不可或缺的部分，通过连接电平转换芯片的方式，为数据传输提供支持。要想实现数据通信，关键是对UART、协议电路进行设计，本文所研究FPGA的构成模块，主要为波特率发生、发送与接收。
2.1通信协议
FPGA是拥有存储功能的阵列模块，目前，在单片机和计算机电路中较为常见。该模块的存储单元为SRAM，正是大量存储单元的存在，才使得FPGA拥有了突出的逻辑功能。对通信协议进行设计的目的，主要是统一双方字符、数据格式和传输速度，该协议又可分为高层协议、底层协议。
高层协议的作用，主要是对校验方式进行定义，由上文分析可知，底层协议的作用，通常表现在信息发送环节，即：用串行数据流代替并行数据，增加停止位、起始位，以固定波特率为依托，对数据流进行传输。而数据接收的前提是去掉停止位、起始位，用字节代替数据流，并向高层协议进行传输。
2.2串口发送
本文所设计电路，主要由发送与接收通道构成，二者对信号进行获取的载体是时钟模块，由此可见，时钟模块也是构成电路的重要部分。发送通道又分为UART、移位及数据寄存器等，接收通道往往分为UART、控制状态机和参数寄存器，另外，二者的共同点，还包括均对CRC模块进行了加设。
发送电路涉及高层协议、底层协议，其中，高层协议所依托构件，主要是CRC、转台控制机和参数寄存器，底层协议强调定期利用数据包对数据进行发送，在周期下降沿对数据包进行发送。若以UART所描述内容为依据，可得出以下结论：接口模块负责控制数据的发送，WRN信号发出后，由发送器结合信号对数据进行锁存，将保持寄存器的数据，向移位寄存器进行发送，若计数值达到2，则应对起始位进行发送，完成发送停止位的操作后，将计数器清零[2]。由于发送时钟所依托基础是数据传输特有的波特率，因此，发送时钟约为发生器所对应时钟的16倍。
2.3串口接收
研究表明，该通道的价值主要是为数据提供串并转换的途径，并在EEPROM对经过校验的数据进行保存。接收通道的构成，同样分为高层协议、底层协议，二者缺一不可。UART可被拆分为大量构件，例如，数据缓存、接收状态机等，接收模块被赋予功能，主要是用并行数据代替串行数据，在输出并行数据的同时，对所接收数据的准确性加以判断。接收模块与发送模块拥有相似的结构和运行过程，二者的区别主要表现为运行流程相反，接收模块需要对数据进行串并转换处理，利用缓冲器完成移位操作，确保校验位及时产生。这里要注意的是，如果停止位、校验位有错误存在，所产生指示信号往往无法对正确指示进行传达，因此，若有类似问题存在，有关人员应做到及时处理，以免造成更严重的后果。
2.4控制模块
该模块与诸多模块相连，例如，上文提到的发送模块与接收模块，另外，该模块还连接着并行总线，可经由单片机对控制信号进行接收，从而达到对时钟生成、发送及接收加以控制的目的。事实证明，对FPGA加以利用，可使发送与接收数据的环节，拥有更为理想的质效，有关人员应以FPGA为依托，对数据进行采集和处理，这样做能够使异步串行通信的设想成为现实，不仅系统更加稳定，电路板面积也较之前更小，生产成本随之下降。
结论：近几年，上文所讨论电路已被用于诸多领域，并且发挥了重要作用，事实证明，以FPGA为依托，对UART与线路进行设计，仅需对较少逻辑资源加以利用，便可达到串口通信的目的，系统自然拥有更为理想的可靠性，另外，该方案还可用于其他电路，随着电路板面积的不断减小，电路成本逐渐降低。
参考文献：
[1]熊文,王莉,肖健,等.一种RS485串口通信电路的高可靠性设计[J].自动化与仪器仪表,2017(03):43-45.
[2]黄定威,杨国庆,何泓儒,等.基于USB和串口通信的调度命令提示电路设计[J].中国高新科技,2019(02):67-68.