基于FPGA的UART串口设计：实现全双工高速通信

本文主要探讨了FPGA（Field-Programmable Gate Array）与PC（Personal Computer）之间的UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）串口通信设计。FPGA作为数据采集和高速数字信号处理领域的关键器件，其与外部设备的通信常通过UART来实现。作者王媛斌和王宏斌在他们的研究中，针对FPGA的串口通信需求，提出了一个基于Verilog HDL语言设计的模块化解决方案。 首先，他们介绍了FPGA中 UART通信模块的重要性，特别是在高速数字信号处理过程中，FPGA产生的数据需要传输到PC，同时PC也需要向FPGA发送指令，传统的方案是通过单片机作为中继，但本文设计旨在简化这一过程，直接实现FPGA与PC的全双工串口通信，提高效率和简化硬件成本。 核心部分，他们详细设计了116倍波特率时钟电路，以确保在接收数据时能够在每个数据位的中点进行采样。这个电路利用任意频率发生器技术，通过直接频率合成，使得时钟频率是波特率的16倍。该电路的关键在于一个32位的加法计数器，计数模值为2^32，通过每次输入时钟上升沿加K值的方式，实现精确的分频控制。 控制字的计算公式依赖于输入时钟频率（fc = 50MHz）和分频系数K，这展示了设计者对于精确时序控制的重视。通过这种方式，他们确保了串口通信的稳定性和可靠性。 此外，文章还提到了系统的模块化设计策略，将整个通信接口电路划分为波特率产生模块、发送模块和接收模块，这种自顶向下设计方法有助于提高系统的可维护性和扩展性。 这篇论文深入探讨了如何利用FPGA的特性设计高效的UART串口通信接口，对于FPGA与PC的高效交互具有实际的工程意义，尤其是在高性能信号处理应用中。通过提供具体的设计细节和计算公式，读者可以了解到如何在实际项目中实现类似功能，并优化通信性能。