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摘 要

本文主要研究的就是基于FPGA的RS-232串口异步通信，通过Verilog HDL语言在FPGA芯片上设计实现各种总线控制器的功能。其中包括RS232控制器软件编程，USB串行数据的收发，最后实现USB与RS232互相通信的程序。

首先了解硬件构成以及MAX232芯片和CH376芯片电路的连接，学习并掌握Verilog语言编程。其次参考相关文献了解总线控制器，在Quartus11.0开发环境中，在FPGA芯片上设计实现各种总线控制器的功能。最后，利用signal tap嵌入式逻辑分析仪，检查各输出波形，以验证程序的正确性。

关键词：串口 USB总线 现场可编程门阵列

Multi-functional serial communication test system design based on FPGA

Abstract

This paper studying the RS-232 serial interface is FPGA-based asynchronous communication through Verilog HDL language design on FPGA chip functions of the various bus controller. Including RS232 controller software programming, USB serial data transceiver, the final realization of the program to communicate with each other USB RS232.

Firstly, understanding the composition and MAX232 chip connections and CH376 chip circuit hardware, learning and master the Verilog language. Secondly, referring to the relevant literature to understand the bus controller in Quartus11.0 development environment, designed and implemented in the FPGA chip functions of the various bus controller. Finally, the signal tap embedded logic analyzer, checking the output waveform, to verify the correctness of the program.

Key Words: Serial; USB bus; FPGA

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 5

1.1 课题背景 5

1.2 FPGA现场可编程门阵列 6

1.3 Verilog HDL简介 7

第二章 常用串口总线分析 10

2.1 RS232 、RS422和RS485总线原理分析 10

2.1.1原理概述 10

2.1.2 MAX232芯片 12

2.1.3 串口通信接口组成 13

2.2 USB总线原理分析 15

2.2.1 USB总线简介 15

2.2.2 USB的硬件结构 15

2.2.3 USB硬件接口类型 16

2.2.4 数据传输模式 17

2.2.5数据包格式 18

2.2.6 CH376芯片 19

第三章 系统硬件设计 20

3.1 系统整体设计 20

3.1.1 系统设计框图 20

3.2 UART设计原理 20

3.2.1 UART原理框图 20

3.2.2 UART设计电路图 22

3.3 USB设计原理 23

3.3.1 USB原理框图 23

3.3.2 USB数据读取电路图 24

第四章 系统软件设计 25

4.1 软件系统整体设计 25

4.1.1 功能简述 25

4.2 USB控制部分 25

4.2.1 USB控制 25

4.2.2 常用命令说明 26

4.2.3 USB控制部分功能实现程序 27

4.3 UART控制部分 29

4.3.1 UART控制 29

4.3.2 UART顶层模块功能的实现 29

4.3.3发送模块功能的实现 30

4.3.4 接收模块功能的实现 32

4.3.5 波特率功能模块的实现 32

4.4系统整体调试 33

第五章 总结与展望 35

5.1 总结 35

5.2展望 35

参考文献 36

致谢 38

第一章 绪论

1.1 课题背景

如今信息技术不断发展，数据量不断的扩大，数据传输速率和带宽要求也变得越来越高，速度更快、性能更优良的USB接口模式快速发展，早起的串行接口标准传输速率跟不上时代的进步和发展的需求。现在工业产品数量多然而接口标准不一，大多数的转换设备采用的是总线控制芯片来实现的。

与普通电路的集成电路相比，开发工具优先、设计设计制造成本低、开发周期短等特点使其被大规模运用，因而现在广泛地应用于仪表、兵器、图形图像、数字通信等系统中。

由于ASIC的全定制和半定制生产中需要一次性支付工程的所有费用，所以小批量生产、试验项目等无法采用前两种。因此目前实现ASIC的最主要的手段就是可编程逻辑器件的使用。  

随着新型的FPGA/CPLD规模的变大，高性价比的提高，新产品的研究与开发成本降低，使可编程器件在硬件设计领域得以普及并扮演着越来越重要的角色。74系列等传统的数字元件已逐渐被低端CPLD所代替，高端的FPGA也在不断地争夺着ASIC的市场份额。

在此背景下，本文实现的是通过USB接口读取数据，从串口的并行输入，经MAX232芯片将数据由并行数据转换为串行数据，最终在计算机中显示。其中所用设计的模块工作在应用比较普遍的方式，实现全双工的通信。还介绍了一种完全采用Verilog-HDL语言进行描述的构建UART软件的方法，实现了UART设计的功能，包括系统时钟的输入，移位寄存器等。了解、掌握各功能模块的实现，USB数据读取过程，最终所设计的模块达到设计的目的和要求，具有一定的工程实际价值。

本文主要完成的工作包括：

1 根据系统需求，在硬件和软将两个方面给出设计方案。

2 结合硬件电路和Verilong语言编程，详细分析了UART控制器和USB控制器的工作原理，在FPGA芯片上实现总线控制器的功能。

3在Quartus开发环境中，利用signal tap嵌入式逻辑分析仪，检查各输出波形，以验证程序的正确性。

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