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基于FPGA的接口转换电路设计

摘要：21世纪是信息化的世纪，计算机技术迅速发展，越来越多的

计算机采用传输速率更快且性能更加优良的USB接口，而个人计算机上的

RS232，正在逐渐被淘汰。但在工业领域中RS232应用仍十分广泛。本文

在此应用背景下，研究和设计USB与RS232之间的接口转换电路，硬件开

发采用了SOPC设计，添加不同功能的模块，构建NIOSII系统，在

QuartuII中完成硬件开发，而软件开发在NIOSIIIDE中完成，利用FPGA

平台，实现USB与RS232之间的接口转换，实现上位控制计算机与底层设

备之间的数据通信。

关键词：USB接口；RS232接口；FPGA；SOPC

随着计算机科学技术的迅速发展，如今对计算机的数据通信速度有了

更高的要求，因此计算机的外围接口也发展迅速。由于USB在个人计算机

上应用越来越广泛，逐渐淘汰了RS232，但目前仍然很多采用RS232串行

接口的工业设备、仪器仪表领域中，考虑到可行性和成本原因，立即将这

些设备改造成USB接口是不可行的。因此本文选择在FPGA开发平台下实

现USB转RS232接口，通过这样将计算机与传统的设备相连，实现USB与

RS232接口的双向数据传输，同时也扩大了USB的传输距离。

一、基于FPGA嵌入式IP的SOPC系统

基于FPGA的嵌入式IP硬核SOPC系统是在FPGA中预先植入NIOS处

理器。为了更好的通用性，必须将常规的嵌入式处理器集成诸多通用和专

用的接口，但这样又不得不增加芯片的成本和功耗。但如果将ARM或者其

他处理器核以IP硬核的方式植入FPGA中，利用FPGA的可编程逻辑资源

和可擦除性，按照系统功能需求来添加接口功能模块，如USB模块和

RS232模块，既能实现目标系统功能，又能实现系统的低成本和低功耗。

这样使得FPGA灵活的硬件设计与处理器的强大软件功能有机地结合在一

起，更有效地实现SOPC系统。

虽然基于FPGA嵌入IP硬核能有效降低系统成本和功耗，但也有不足

之处：（1）IP硬核多来自第三方公司。（2）这些IP硬核是预先植入系

统的。（3）设计者无法根据实际需要改变处理器的结构。（4）无法根据

实际设计者的需求在同一FPGA开发板中集成多个处理器。根据以上不足，

FPGA生产商设计了嵌入式系统IP软核。利用QuartuII和SOPCBuilder，

对NIOSII及其外围设备进行模块构建，使得系统能够满足设计者在硬件

结构、功能特点、资源占用方面的要求，而且不同于IP硬核，NIOSII软

核在同一FPGA下可以添加多个IP软核，只要FP

GA的逻辑资源够用就行。在成本方面，因为NIOSII是Altera公司

直接提供，因此省下支付第三方厂商的知识产权费用。

二、接口硬件电路设计

本文采用的是CH376芯片作为USB接口的芯片。CH376芯片是文件管

理控制芯片，用于单片机系统读写U盘或者SD卡中的文件，本文主要用

到了CH376芯片的USB设备方式。其中CH376采用8位并口接口方式连接

到FPGA上进行控制。

根据CH376手册，了解CH376的特点，设计出在3.3v电源电压下

USB的外围电路。本文设计的USB电路有一下几个特点：（1）自供电：

5VVCC；（2）传输速度：12Mbp；（3）USB芯片：CH376。（4）时钟电路：

12MHz晶振。

接口转换主要是在FPGA上面构建NIOSII系统平台，这样在

SOPCBuilder中已经添加了RS-232模块，因此串口可以直接连接到FPGA

上，只需要保证电气的相容性即可。在RS-232外围电路设计中，采用了

MA某3232芯片来完成RS232总线电平与TTL电平的转换。

三、基于NIOSIIIDE系统软件开发

USB分主机模式和设备模式，本文主要用到了USB的设备模式。FPGA

开发板通过USB接口与电脑相连，电脑里面的上位机来发送、接收USB数

据，实现FPGA开发板与电脑的数据通信。本论文通过设计的USB接口连

接到FPGA上，用FP

GA来控制USB芯片的接收、发送数据，这样