基于FPGA的串口通訊設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證

1 串口通信基本特點(diǎn)

隨著多微機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用和微機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，通信功能越來越顯得重要。串行通信是在一根傳輸線上一位一位地傳送信息.這根線既作數(shù)據(jù)線又作聯(lián)絡(luò)線。串行通信作為一種主要的通信方式，由于所用的傳輸線少，并且可以借助現(xiàn)存的電話網(wǎng)進(jìn)行信息傳送，因此特別適合于遠(yuǎn)距離傳送。在串行傳輸中，通信雙方都按通信協(xié)議進(jìn)行，所謂通信協(xié)議是指通信雙方的一種約定。約定對(duì)數(shù)據(jù)格式、同步方式、傳送速度、傳送步驟、糾錯(cuò)方式以及控制字符定義等問題做出統(tǒng)一規(guī)定，通信雙方必須共同遵守。異步起止式的禎信息格式為：每禎信息由四部分組成：

a.1位起始位。

b.5~8位數(shù)據(jù)位。傳送順序是低位在前，高位在后.依次傳送。

c.一位校驗(yàn)位，也可以沒有。

d.最后是1位或是2位停止位。

FPGA(Field Pmgrammable Gate Array)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列在數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中已經(jīng)被廣泛使用。這種設(shè)計(jì)方式可以將以前需要多塊集成芯片的電路設(shè)計(jì)到一塊大模塊可編程邏輯器件中，大大減少了電路板的尺寸，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和設(shè)計(jì)的靈活性。本文詳細(xì)介紹了已在實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用的基于FPGA的串口通訊設(shè)計(jì)。

本設(shè)計(jì)分為硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分，最后用仿真驗(yàn)證了程序設(shè)計(jì)的正確性。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本方案的異步串行通信的硬件接口電路圖如圖1所示，主要由四部分組成：RS-485數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、FPGA串口模塊、MAX3223和DB9。各部分功能簡(jiǎn)述如下：

RS-485數(shù)據(jù)發(fā)送模塊是將前續(xù)電路的數(shù)據(jù)發(fā)送到FPGA，供本電路處理，亦即本電路的輸入。RS485是符合RS-485和RS-4225串口標(biāo)準(zhǔn)的低功耗半雙工收發(fā)器件，有3.3V和5V兩種，在本設(shè)計(jì)中選用了3.3V的器件SP3485。SP3485的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示

在本設(shè)計(jì)中。485的7腳和8腳與前端信號(hào)相連接，用于接收輸入的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)格式是這樣的：一幀數(shù)據(jù)有25位，報(bào)頭是16個(gè)高電平和1個(gè)低電平，接下來是8位有效的數(shù)據(jù)。傳輸速率為700k波特率。2腳是使能端，與FPGA的I/O口相連，由FPGA提供邏輯控制信號(hào)。1腳和4腳也與FPGA相連，由FPGA對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

圖1異步串行通信硬件接口功能框圖

圖2 SP3485的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

FPGA串口模塊是將由RS-485發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取出8位有效數(shù)據(jù)，并按異步串口通訊的格式要求輸出到MAX3223的12腳。FPGA選用Xilinx公司的Spartan II系列xc2s50。此部分為該設(shè)計(jì)的主體。如上所述，輸入數(shù)據(jù)的傳輸速率為700k波特率。為了使FPGA能夠正確地對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，提高分辨率能力和抗干擾能力，采樣時(shí)鐘必須選用比波特率更高的時(shí)鐘，理論上至少是波特率時(shí)鐘的2倍。在本設(shè)計(jì)中選用4倍于波特率的時(shí)鐘，利用這種4倍于波特率的接收時(shí)鐘對(duì)串行數(shù)據(jù)流進(jìn)行檢測(cè)和定位采樣，接收器能在一個(gè)位周期內(nèi)采樣4次。如果沒有這種倍頻關(guān)系，定位采樣頻率和傳送波特率相同，則在一個(gè)位周期中，只能采樣一次，分辨率會(huì)差。比如，為了檢測(cè)起始位下降沿的出現(xiàn)，在起始位的前夕采樣一次之后，下次采樣要到起始位結(jié)束前夕才進(jìn)行。而假若在這個(gè)周期期間，因某種原因恰恰使接收時(shí)鐘往后偏移了一點(diǎn)點(diǎn)，就會(huì)錯(cuò)過起始位。造成整個(gè)后面位的檢測(cè)和識(shí)別錯(cuò)誤。針對(duì)本設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA的軟件共分了三個(gè)模塊：

1.時(shí)鐘分頻模塊。模塊的功能是用來產(chǎn)生所需要的數(shù)據(jù)采集時(shí)鐘和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)鐘。系統(tǒng)主頻是40M的。數(shù)據(jù)采集時(shí)鐘是2.8M的，發(fā)送時(shí)鐘是11.2k。

2.提取數(shù)據(jù)模塊。由RS485發(fā)送過來的數(shù)據(jù)共有25位，其中只有8位是有效數(shù)據(jù)。為了發(fā)送這8位有效數(shù)據(jù)。必須先將其提取出來。提取的辦法是這樣的：通過連續(xù)檢測(cè)到的16個(gè)高電平和一個(gè)低電平。判斷8位有效數(shù)據(jù)的到來。然后按照串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷剑诩由掀鹗嘉缓屯Ｖ刮缓?，將其存?chǔ)于輸出緩沖寄存器中。在這里，我們的串行數(shù)據(jù)輸出格式是這樣規(guī)定的，一位起始位，八位數(shù)據(jù)位，一位停止位，無校驗(yàn)位。

3.串行數(shù)據(jù)輸出模塊。這一模塊相對(duì)比較簡(jiǎn)單，波特率選為11.2k，模塊的功能是在移位輸出脈沖的作用下，將輸出緩沖寄存器中的數(shù)據(jù)移位輸出。

MAX3223是實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換的芯片。由于RS-232c是用正負(fù)電壓來表示邏輯狀態(tài)。與TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠同計(jì)算機(jī)接口或終端的TTL器件連接，必須在RS-232與TTL電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。實(shí)現(xiàn)這種變換的方法可用分立元件，也可用集成電路芯片。MAXIM公司的MAX3223是為滿足RS-232c的標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的具有功耗低、波特率高、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，外接電容僅為0.1uF或1uF，為雙組RS232收發(fā)器。由MAX3223的12腳輸入的數(shù)據(jù)，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后由8腳輸出，再經(jīng)過DB9的TxD端輸出，由PC機(jī)接收并做后續(xù)處理。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

FPGA模塊是本設(shè)計(jì)的主體，使用Verilog硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行編寫，本段代碼共有兩個(gè)子模塊，分別實(shí)現(xiàn)提取八位數(shù)據(jù)和串行數(shù)據(jù)發(fā)送的功能。

下面是verilog源代碼

module SIMO(din,clk,rst,dout_ser);

input din; //串行輸入數(shù)據(jù)

input clk; //時(shí)鐘信號(hào)

input vat; 復(fù)位信號(hào)

reg[7:0] indata_buf; //輸入緩沖寄存器,存提取的有效位

reg[9:0] dout_buf; //輸出緩沖寄存器,加了起停位

output reg dout_ser; //串行數(shù)據(jù)輸出

reg nclk; //提取八位有效數(shù)據(jù)的采樣時(shí)鐘.是4倍于波特率的時(shí)鐘

reg txclk; //發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)鐘。發(fā)數(shù)據(jù)取11.2k的波特率

integer bitpos=7; //當(dāng)前位

parameter s0=0,s1=1,s2=2,s3=3;

reg[2:0]state;

reg[4:0]counter; //用來計(jì)算報(bào)頭報(bào)尾中1的個(gè)數(shù)

reg tag,tag1;

reg[2:0]cnt3;

reg txdone=1'b1;//一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸完畢標(biāo)志

*********提取有效數(shù)據(jù)位并按串行通訊格式裝載數(shù)據(jù)********

always@ (posedge nclk or posedge rst) begin

if(rst)

begin

state<=0;

counter<=0;

tag1=0;

tag=0;

indata_buf<=8'bz;

dout_buf<=10'bz;

bitpos=7;

cnt3<=0;

end

else case(state)

s0:begin

tag=0;//表示數(shù)據(jù)沒有裝好

if(din)

begin

counter<=counter+1;

state<=s0;

if(counter==15)//如果檢測(cè)到16個(gè)1則轉(zhuǎn)入s1狀態(tài)檢測(cè)接下來的是不是0

begin

state<=s1;

counter<=0;

end

end

else begin

counter<=0;

state<=s0;

end

end

s1:if(!din)//如果是0的話,轉(zhuǎn)入s2狀態(tài),提取八位有效數(shù)據(jù)

state<=s2;

else //否則轉(zhuǎn)到s0狀態(tài)重新檢測(cè)

state<=s0;

s2:if(cnt3==3)//是否采集四次數(shù)據(jù)

begin

cnt2<=0;

indata_buf[bitpos]<=din; //先進(jìn)來的是高位數(shù)據(jù)

bitpos=bitpos-1;

if(bitpos==-1)

begin

bitpos=7;state<=s3;end

end

else cnt3<=cnt3+1;

s3:begin

tag1=tag;

tag=1'b1; //標(biāo)志輸入寄存器滿。表明已把有用數(shù)據(jù)裝入寄存器

if(tag&&~tag1)&&txdone) //檢測(cè)到tag的上升沿以及txdone為高才把輸入緩沖數(shù)據(jù)放到輸出緩沖去

dout_buf<={1'b1,indata_buf[7:0],1'b0};//停止位,高位,低位,起始位

state<=s0;

end

endcase

end

//***********發(fā)送數(shù)據(jù)模塊

reg[3:0] state_tx=0;

always@(posedge txclk or posedge rst)

begin

if(rst)

begin

dout_ser<=1'bz;

state_tx<=0;

txdone=1;

end

else

case(state_tx)

0:begin

dout_ser<=dout_buf[0];state_tx<=state_tx+1;txdone=1'b0;end

1:begin

dout_ser<=dout_buf[1];state_tx<=state_tx+1;end

2:begin

dout_ser<=dout_buf[2];state_tx<=state_tx+1;end

3:begin

dout_ser<=dout_buf[3];state_tx<=state_tx+1;end

4:begin

dout_ser<=dout_buf[4];state_tx<=state_tx+1;end

5:begin

dout_ser<=dout_buf[5];state_tx<=state_tx+1;end

6:begin

dout_ser<=dout_buf[6];state_tx<=state_tx+1;end

7:begin

dout_ser<=dout_buf[7];state_tx<=state_tx+1;end

8:begin

dout_ser<=dout_buf[8];state_tx<=state_tx+1;end

9:begin

dout_ser<=dout_buf[9];state_tx<=state_tx+1;end

endcase

end

endmodule

注：兩個(gè)頻率信號(hào)nclk、txclk由相應(yīng)的分頻程序產(chǎn)生。由于篇幅所限未在文中列出。

FPGA模塊接收從RS-485發(fā)送過來的串行數(shù)據(jù)。25位為一個(gè)字符。數(shù)據(jù)的傳輸速率是700kbps，用四倍于波特率的速率進(jìn)行采樣，這樣可以大大降低系統(tǒng)的噪聲。數(shù)據(jù)的串行輸出波特率選為11200bps。

由輸入輸出波形圖可以看出：本段程序?qū)崿F(xiàn)了對(duì)輸入數(shù)據(jù)的有效數(shù)據(jù)位的提取，并按照一定的波特率進(jìn)行串行輸出。程序中，波特率可以根據(jù)需要通過分頻程序進(jìn)行改動(dòng)。硬件電路搭建簡(jiǎn)單，程序代碼書寫容易。數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，可以滿足串口通信的要求。