FPGA实现UART串口通信及时钟分频方法

"本文档介绍了如何使用FPGA实现串口通信，特别关注UART接口的异步通信特性，并提供了分频模块的VHDL代码示例，以生成所需的内部时钟。" 在电子工程中，FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，能够根据设计需求构建定制的数字电路。串口通信是一种常见的通信方式，特别是在嵌入式系统和微控制器之间，其中UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是最常用的串行通信协议之一。UART协议允许设备通过两条数据线（TX和RX）进行异步通信，即数据传输不依赖共同的时钟信号，而是依靠数据帧的起始和停止位来同步。 在UART通信中，由于发送方和接收方的时钟可能有微小的频率差异，因此需要一个高速的内部时钟来准确地采样数据。通常，我们会选择8倍或16倍于波特率（bits per second, bps）的时钟频率，以确保即使在时钟频率存在误差的情况下也能正确解析数据。例如，如果波特率是115200 bps，那么需要的内部时钟频率应为115200 * 8 = 921600 Hz。 在提供的代码中，展示了一个简单的50 MHz FPGA晶振分频模块，用于生成921600 Hz的时钟。该分频模块由两个独立的分频过程组成，一个用于上升沿，另一个用于下降沿，这样可以确保时钟信号的连续性和稳定性。分频器使用两个计数器`s1`和`s2`，当它们达到特定阈值时翻转输出`clk1`和`clk2`，最后通过`CLK_O<=clk1 or clk2;`合并为最终的时钟信号。 为了检测UART数据的起始位，通常会在连续采样中寻找连续的低电平（0）位，因为UART的起始位是逻辑0。如果连续3次或4次采样都检测到0，可以认为找到了起始位，从而开始接收数据帧的其余部分，包括数据位、奇偶校验位和停止位。 FPGA实现UART通信的关键在于正确设置波特率发生器和采样时钟，以及有效地检测起始和停止位。一旦这些基础建立起来，就可以进行数据的正确接收和发送。此外，还需要考虑错误检测和纠正机制，如奇偶校验和循环冗余校验（CRC），以提高通信的可靠性。在实际应用中，还可能需要实现中断处理、多任务并行处理等功能，以满足更复杂系统的需要。