fpga實(shí)現(xiàn)uart串口通信

　　UART使用的是異步串行通信

　　串行通信是指利用一條傳輸線將資料一位位地順序傳送。特點(diǎn)是通信線路簡(jiǎn)單，利用簡(jiǎn)單的線纜就可實(shí)現(xiàn)通信，降低成本，適用于遠(yuǎn)距離通信，但傳輸速度慢的應(yīng)用場(chǎng)合。

　　異步通信以一個(gè)字符為傳輸單位，通信中兩個(gè)字符間的時(shí)間間隔多少是不固定的，然而在同一個(gè)字符中的兩個(gè)相鄰位間的時(shí)間間隔是固定的。

　　數(shù)據(jù)傳送速率用波特率來(lái)表示，即每秒鐘傳送的二進(jìn)制位數(shù)。例如數(shù)據(jù)傳送速率為120字符/秒，而每一個(gè)字符為10位（1個(gè)起始位，7個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)校驗(yàn)位，1個(gè)結(jié)束位），則其傳送的波特率為10×120＝1200字符/秒＝1200波特。

　　數(shù)據(jù)通信格式如下圖：

　　其中各位的意義如下：

　　起始位：先發(fā)出一個(gè)邏輯”0”信號(hào)，表示傳輸字符的開始。

　　數(shù)據(jù)位：可以是5~8位邏輯”0”或”1”。如ASCII碼（7位），擴(kuò)展BCD碼（8位）。

　　校驗(yàn)位：數(shù)據(jù)位加上這一位后，使得“1”的位數(shù)應(yīng)為偶數(shù)（偶校驗(yàn)）或奇數(shù)（奇校驗(yàn)）。

　　停止位：它是一個(gè)字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志。可以是1位、1.5位、2位的高電平。

　　空閑位：處于邏輯“1”狀態(tài)，表示當(dāng)前線路上沒(méi)有資料傳送。

　　異步通信是按字符傳輸?shù)?，接收設(shè)備在收到起始信號(hào)之后只要在一個(gè)字符的傳輸時(shí)間內(nèi)能和發(fā)送設(shè)備保持同步就能正確接收。下一個(gè)字符起始位的到來(lái)又使同步重新校準(zhǔn)（依靠檢測(cè)起始位來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)送與接收方的時(shí)鐘自同步的）

　　串行通信的硬件接口電路原理設(shè)計(jì)

　　在串行通信中，普遍采用的是RS-232-C接口的標(biāo)準(zhǔn)。RS-232-C接口信號(hào)引腳的連接方式規(guī)定了25芯的D型連接器（DB225），實(shí)際使用中多采用的是一個(gè)9芯的D型連接器（DB29），本方案采用了DB29連接器

　　本方案的異步串行通信的硬件接口電路圖如圖2所示，由三部分組成：FPGA串口模塊、MAX232和DB29。MAXIM公司的MAX232是為滿足EIA/TEA2232E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)，工作電源為+5V，外界電容僅為0.1uF或1Uf，為雙組RS2232收發(fā)器。MAX232有兩個(gè)發(fā)送器，若只用其中一個(gè)發(fā)送器，另外一個(gè)發(fā)送器的輸入、輸出端可以懸空。本方案把異步通信電路作為一個(gè)整體來(lái)實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)由DB29的RxD端輸入，經(jīng)過(guò)MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換由FPGA串口模塊的RxD端進(jìn)入，進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換后經(jīng)由8位數(shù)據(jù)總線（D72D0）進(jìn)入FPGA的其它模塊或其它的處理芯片。數(shù)據(jù)處理后經(jīng)由8位數(shù)據(jù)總線進(jìn)入FPGA串口模塊，在其中進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換后由TxD端輸出MAX232的12管腳，在MAX232種經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換后由DB29的TxD端輸出。

　　FPGA串口模塊設(shè)計(jì)

　　FPGA串口模塊是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)及各部件的功能。如圖3所示，主要由波特率發(fā)生模塊、發(fā)送模塊，接收模塊組成。用Verilog實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的各部件功能說(shuō)明如圖3

　　波特率發(fā)生模塊

　　設(shè)計(jì)的UART的接收和發(fā)送按照相同的波特率進(jìn)行，波特率可以通過(guò)接口模塊的總線接口進(jìn)行設(shè)置。UART收發(fā)的每一個(gè)數(shù)據(jù)寬度都是波特率發(fā)生器輸出的時(shí)鐘周期的16倍，即假定當(dāng)前按照9600b/s進(jìn)行收發(fā)，那么波特率發(fā)生器的輸出時(shí)鐘頻率應(yīng)該為9600×16Hz。假定提供的外部時(shí)鐘為1.6MHz，可以很簡(jiǎn)單地通過(guò)總線寫入不同的數(shù)值到波特率發(fā)生器保持寄存器，然后用計(jì)數(shù)器的方式生成所需要的各種波特率，即分頻器。計(jì)算公式為：1600000/（16×所期望的波特率）-1，如果希望輸出10000Hz的波特率，可以得出從總線寫入的數(shù)值為1600000/（16×10000）-1=9（09H）。

　　發(fā)送模塊

　　根據(jù)UART協(xié)議的描述，發(fā)送數(shù)據(jù)由接口模塊控制，接口模塊給出wrn信號(hào)，發(fā)送器根據(jù)此信號(hào)將并行數(shù)據(jù)鎖存，并通過(guò)發(fā)送保持寄存器和發(fā)送移位寄存器發(fā)送并行數(shù)據(jù)。由計(jì)數(shù)器no-bs-sent控制狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，即數(shù)據(jù)的發(fā)送，計(jì)數(shù)值為1時(shí)，數(shù)據(jù)從發(fā)送保持寄存器傳送到發(fā)送移位寄存器，計(jì)數(shù)值為2時(shí)，發(fā)送開始位（1b低電平），計(jì)數(shù)值為3～10，發(fā)送8位數(shù)據(jù)，計(jì)數(shù)器為11，發(fā)送校驗(yàn)位，計(jì)數(shù)值為12，發(fā)送1位停止位，計(jì)數(shù)器隨后清零。發(fā)送時(shí)鐘是根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈十a(chǎn)生的，16倍于波特率發(fā)生器產(chǎn)生的時(shí)鐘。

　　在Xilinx的ISE7.1.02i集成環(huán)境中，用Verilog編寫代碼，Synplifypro8.1進(jìn)行邏輯綜合，Modelsim6.0d進(jìn)行仿真，其結(jié)果如圖4所示。

　　接收模塊

　　接收邏輯首先通過(guò)檢測(cè)輸入數(shù)據(jù)的下降沿來(lái)檢查起始位，然后產(chǎn)生接收時(shí)鐘，利用接收時(shí)鐘來(lái)采樣串行輸入數(shù)據(jù)，在緩沖器中作移位操作，同時(shí)產(chǎn)生校驗(yàn)位，在第9位處比較校驗(yàn)位是否正確，在第10位處比較停止位是否為高，在校驗(yàn)位錯(cuò)誤或停止位錯(cuò)誤的情況下產(chǎn)生錯(cuò)誤指示信號(hào)。接收時(shí)鐘是根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈十a(chǎn)生的，16倍于波特率發(fā)生器產(chǎn)生的時(shí)鐘。

　　使用Modelsim6.0對(duì)接收模塊做了時(shí)序仿真，其結(jié)果如圖5所示。接收時(shí)鐘與發(fā)送時(shí)鐘相同，接收到一幀串行數(shù)據(jù)，由接收模塊轉(zhuǎn)換為并行輸出，并且檢驗(yàn)校驗(yàn)位和停止位，產(chǎn)生framing-error和parity-error信號(hào)輸出。

　　接口控制模塊

　　接口控制模塊連接控制發(fā)送、接收、波特率發(fā)生模塊，并與外部并行總線相連接，從外部（CPU或單片機(jī)）接收控制信號(hào)（nrst，nwrn，nbdn，nrdn），來(lái)控制UART的發(fā)送、接收以及內(nèi)部時(shí)鐘的生成。在nwrn有效并且內(nèi)部信號(hào)tbre=‘0’（發(fā)送緩沖寄存器空）時(shí)，將數(shù)據(jù)總線輸入的并行數(shù)據(jù)發(fā)送給發(fā)送模塊數(shù)據(jù)線din（7:0），執(zhí)行發(fā)送數(shù)據(jù)功能。在nrdn有效并且內(nèi)部信號(hào)data-ready，parity-error，framing-error有效時(shí)，允許從接收模塊讀入接收到的數(shù)據(jù)。波特率發(fā)生器和發(fā)送模塊的并行數(shù)據(jù)輸入端口共用一個(gè)數(shù)據(jù)總線。

　　綜合實(shí)現(xiàn)其性能分析

　　使用Xilinx的SpatanIIxc2s100FPGA芯片，對(duì)整個(gè)FPGA設(shè)計(jì)使用Synplifypro8.1進(jìn)行邏輯綜合，其實(shí)占用的FPGA資源總共僅為56個(gè)查找表（LUTs），占用的資源很少，可以很方便的集成在其他的FPGA設(shè)計(jì)中;最高時(shí)鐘速度可以到達(dá)121.8MHz，可見此設(shè)計(jì)完全可以滿足任何一種標(biāo)準(zhǔn)的波特率系列

　　硬件電路實(shí)現(xiàn)及軟件實(shí)現(xiàn)

　　在驗(yàn)證此UARTFPGA設(shè)計(jì)時(shí)，使用了PADS來(lái)設(shè)計(jì)電路原理圖和PCB圖，并最終在硬件上下載調(diào)試成功。在驗(yàn)證UART通信時(shí)，此設(shè)計(jì)的PC機(jī)串口通信程序，采用了Ac2tiveX控件方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　用FPGA實(shí)現(xiàn)了UART通信功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，并可以在接收數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)其校驗(yàn)位、停止位進(jìn)行判斷，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)可以形成完整的一幀數(shù)據(jù)格式。其接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)鐘有內(nèi)部波特率發(fā)生器產(chǎn)生，根據(jù)預(yù)置的分頻系數(shù)，對(duì)外部時(shí)鐘進(jìn)行分頻，產(chǎn)生需要的接收或發(fā)送時(shí)鐘。將該UARTFPGA設(shè)計(jì)作為一功能塊嵌入到一個(gè)FPGA實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中，可以成功地實(shí)現(xiàn)和遠(yuǎn)端的PC機(jī)進(jìn)行異步串行通信。實(shí)驗(yàn)證明該UART設(shè)計(jì)占用資源少，工作穩(wěn)定可靠，可運(yùn)使用在低端的異步通信。