串行接口(RS-232)

串行接口是连接FPGA和PC机的一种简单方式。这个项目向大家展示了如果使用FPGA来创建RS-232收发器。

整个项目包括5个部分

• RS232是怎样工作的
• 如何产生需要的波特率
• 发送模块
• 接收模块
• 应用实例

RS-232接口是怎样工作的

作为标准设备，大多数的计算机都有1到2个RS-232串口。

特性

RS-232有下列特性:

• 使用9针的"DB-9"插头(旧式计算机使用25针的"DB-25"插头).
• 允许全双工的双向通讯(也就是说计算机可以在接收数据的同时发送数据).
• 最大可支持的传输速率为10KBytes/s.

DB-9插头

你可能已经在你的计算机背后见到过这种插头

它一共有9个引脚，但是最重要的3个引脚是:

• 引脚2: RxD (接收数据).
• 引脚3: TxD (发送数据).
• 引脚5: GND (地).

仅使用3跟电缆，你就可以发送和接收数据.

串行通讯

数据以每次一位的方式传输；每条线用来传输一个方向的数据。由于计算机通常至少需要若干位数据，因此数据在发送之前先“串行化”。通常是以8位数据为1组的。 。先发送最低有效位，最后发送最高有效位。

异步通讯

RS-232使用异步通讯协议。也就是说数据的传输没有时钟信号。接收端必须有某种方式，使之与接收数据同步。

对于RS-232来说，是这样处理的:

• 串行线缆的两端事先约定好串行传输的参数（传输速度、传输格式等）
• 当没有数据传输的时候，发送端向数据线上发送"1"
• 每传输一个字节之前，发送端先发送一个"0"来表示传输已经开始。这样接收端便可以知道有数据到来了。
• 开始传输后，数据以约定的速度和格式传输，所以接收端可以与之同步
• 每次传输完成一个字节之后，都在其后发送一个停止位("1")

让我们来看看0x55是如何传输的:

0x55的二进制表示为：01010101。

但是由于先发送的是最低有效位，所以发送序列是这样的: 1-0-1-0-1-0-1-0.

下面是另外一个例子 :

传输的数据为0xC4，你能看出来吗?

从图中很难看出来所传输的数据，这也说明了事先知道传输的速率对于接收端有多么重要。

数据传输可以多快?

数据的传输速度是用波特来描述的，亦即每秒钟传输的数据位，例如1000波特表示每秒钟传输100比特的数据, 或者说每个数据位持续1毫秒。

波特率不是随意的，必须服从一定的标准，如果希望设计123456波特的RS-232接口，对不起，你很不幸运，这是不行的。常用的串行传输速率值包括以下几种：

• 1200 波特.
• 9600 波特.
• 38400 波特.
• 115200 波特 (通常情况下是你可以使用的最高速度).

在115200 波特传输速度下, 每位数据持续 (1/115200) = 8.7μs. 如果传输8位数据,共持续 8 x 8.7μs = 69μs。但是每个字节的传输又要求额外的“开始位”和“停止位”,所以实际上需要花费10 x 8.7μs = 87μs的时间。最大的有效数据传输率只能达到 11.5KBytes每秒。

在115200 波特传输速度下,一些使用了不好的芯片的计算机要求一个长的停止位(1.5或2位数据的长度)，这使得最大传输速度降到大约10.5KBytes每秒

物理层

电缆上的信号使用正负电压的机制:

• "1" 用 -10V 的电压表示(或者在 -5V 与 -15V之间的电压).
• "0" 用 +10V 的电压表示(或者在 5V 与 15V之间的电压).

所以没有数据传输的电缆上的电压应该为-10V或-5到-10之间的某个电压。