一種基于FPGA的UART接口開發(fā)方案

由于FPGA的功能日益強大，開發(fā)周期短、可重復編程等優(yōu)點也越來越明顯，可以在FPGA芯片上集成UART功能模塊，從而簡化電路，縮小PCB面積，提高系統(tǒng)可靠性。此外，FPGA的設計具有很高的靈活性，可以方便地進行升級和移植。
設計背景

通用異步收發(fā)器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)可以和各種標準串行接口，如RS 232和RS 485等進行全雙工異步通信，具有傳輸距離遠、成本低、可靠性高等優(yōu)點。一般UART由專用芯片如8250，16450來實現，但專用芯片引腳都較多，內含許多輔助功能，在實際使用時往往只需要用到UART的基本功能，使用專用芯片會造成資源浪費和成本提高。
一般而言UART和外界通信只需要兩條信號線RXD和TXD，其中RXD是UART的接收端，TXD是UART的發(fā)送端，接收與發(fā)送是全雙工形式。由于可編程邏輯器件技術的快速發(fā)展，FPGA的功能日益強大，其開發(fā)周期短、可重復編程的優(yōu)點也越來越明顯，在FPGA芯片上集成UART功能模塊并和其他模塊組合可以很方便地實現一個能與其他設備進行串行通信的片上系統(tǒng)。
設計要求
? ? ? ?本接口作為一個關于內容保護系統(tǒng)的電路板的一部分，主要用于和計算機進行通信，也可與其他帶UART接口的電路板進行通信。對數據傳輸速率要求不高，傳輸距離也不要求很長，但傳輸數據要求準確可靠。該接口可用來監(jiān)控電路內部狀態(tài)，將FPGA內部信息通過串口輸出至計算機，以達到輔助調試電路的目的。另外，電路板上的FPGA外掛有串行Flash，可通過串口對Flash進行調試，將Flash中的數據輸出至計算機，并可將數據通過串口寫入Flash中。簡而言之，該接口是作為計算機與電路板的一個可靠的雙向數據傳輸通道。
UART的實現原理
UART是異步通信方式，通信的發(fā)送方和接收方各自有獨立的時鐘，傳輸的速率由雙方約定。本設計采用最常用的每秒9600波特的傳輸速度。
UART的通信協議十分簡單，以低電平作為起始位，高電平作為停止位，中間可傳輸5～8比特數據和1比特奇偶校驗位，奇偶校驗位的有無和數據比特的長度由通信雙方約定。一幀數據傳輸完畢后可以繼續(xù)傳輸下一幀數據，也可以繼續(xù)保持為高電平，兩幀之間保持高電平，持續(xù)時間可以任意長。本方案采用不添加校驗位的方法，以提高數據傳輸效率。發(fā)送端發(fā)送數據時先發(fā)一低電平，然后發(fā)送8比特數據，之后馬上把信號拉高，從而完成一幀數據傳送。接收端接收到低電平時開始計數，然后接收8比特信息位后如果檢測到高電平即認為已接收完一幀數據，繼續(xù)等待下一幀起始信號低電平的到來，若接收完8比特數據后沒有檢測到高電平則認為這不是一幀有效數據，將其丟棄，繼續(xù)等待起始信號。時序關系如圖1所示，收發(fā)可同時進行，互不干擾。

圖1 RS-232接口的工作時序

硬件電路原理圖及說明
一個完整的RS-232接口是一個25針的D型插頭座，25針的連接器實際上只有9根連接線，所以就產生了一個簡化的9針D型RS-232插頭座，常用的就是一個9針的D型插頭座。通常只用到一根發(fā)送信號線、一根接收信號線和一條地線，其余的振鈴指示、請求傳送、清除傳送、準備就緒及數據載波檢測等線可以做懸空處理。
RS-232標準規(guī)定邏輯1的電平為 -15～-3V，邏輯0的電平為+3～+15V。CMOS電路的電平范圍一般是從0V到電源電壓，FPGA的I/O輸入輸出電壓通常為0～3.3V，為了與FPGA 供電電壓保持一致，必須加電平轉換芯片。選用Maxim公司的MAX3232電平轉換芯片，電路原理圖如圖2所示。
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圖2 RS-232接口電路

連線采用最簡單的3 線制連接模式，即只需要兩根信號線和一根地線來完成數據收發(fā)。而FPGA 只需要選擇兩個普通I/O引腳分別與接口芯片MAX3232 對應引腳T2IN、R2OUT相連即可完成將串口電平轉換為設備電路板的工作電平，即實現RS-232電平和TTL/ CMOS 電平的轉換。一個MAX3232芯片可以支持兩個串口的電平變換，我們選擇其中的一組接口，圖中的4個電阻可以省去。在電路中加入了0Ω的跳線電阻，是為了在這組接口出故障時可以方便地跳線，使用另一組接口。
軟件設計
異步收發(fā)器由波特率發(fā)生器、UART接收器和UART發(fā)送器三個模塊構成。采用的是每秒9600波特的傳輸速度，而系統(tǒng)提供的時鐘是 10MHz，這就要求進行速率變換。在實際中由于電路中存在干擾等因素，在數據邊緣進行采樣容易發(fā)生誤判，只有在數據的中央進行采樣出錯的概率才能降到最低，所以使用16倍于波特率的時鐘，即9600×16Hz=15600Hz。因此波特率發(fā)生器輸出的時鐘頻率應為15600Hz，UART 收發(fā)的每一個數據寬度都是波特率發(fā)生器輸出的時鐘周期的16倍，采用Altera公司芯片內部自帶的鎖相環(huán)可以方便地實現。UART接收器和UART發(fā)送器均采用Verilog語言編程實現。
通常使用的數據多為并行數據，為了方便與系統(tǒng)中其他電路互連，UART接收器的輸出數據和UART發(fā)送器的輸入數據均為8比特并行數據。 UART接收器將串行數據接收下來并將其轉化為并行數據送出，UART發(fā)送器將輸入的并行數據轉換為串行數據并按照UART的幀格式輸出。

圖3 UART接收器符號圖

圖3為UART接收器的符號圖，其中rst為全局復位信號，rxd為串行數據輸入端，baudClk16x為輸入時鐘，dataOut[70] 為并行數據輸出口，irq為輸出數據的指示信號。首先接收器等待起始位的到來，在每個時鐘上升沿檢測輸入數據是否為低電平，若檢測到低電平，則開始計數，如果連續(xù)8個時鐘內輸入數據均為低電平，則認為起始信號有效，其中若有一次采樣得到的為高電平則認為起始信號無效，返回初始狀態(tài)重新等待起始信號的到來。認定起始信號有效后，每隔16個時鐘采樣一次，這樣就可以保證每次都在數據的中點出采樣，將采樣結果送入8比特的移位寄存器，8比特數據采樣結束后，間隔 16個時鐘采樣停止位。如果采得的是高電平，則認為這幀數據有效，將移位寄存器中的數據并行送出同時將輸出數據的指示信號置高，然后接收器復位，重新等待下一幀的到來;若采得的為低電平，則認為這不是一幀有效數據，不將移位寄存器中的數據輸出，直接返回初始狀態(tài)。
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圖4 UART發(fā)送器符號圖

圖4 為UART發(fā)送器的符號圖，其中flag為輸入數據指示信號，rst為全局復位信號，clkin為輸入時鐘，din[70]為并行數據輸入端，tdo為串行數據輸出端。接收器在每個時鐘的上升沿檢測輸入數據指示信號，若檢測到其為高電平，則將并行輸入數據鎖存入內部的8比特移位寄存器，接下來先送出一個低電平并保持16個時鐘，然后每隔16個時鐘將移位寄存器中的數據移出一位，最后送出高電平，返回初始狀態(tài)。
系統(tǒng)調試
UART接收器和發(fā)送器可根據實際需要單獨使用，但在調試時為了方便，將兩者對接起來，如圖5所示。UART接收器的輸出與UART發(fā)送器的輸入相連，復位信號和時鐘信號共用，時鐘信號由片外晶振提供，輸入FPGA后通過鎖相環(huán)轉換為需要的頻率。
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圖5 調試系統(tǒng)模塊圖

串口的調試需要借助于串口調試工具，可以用VC編程實現，也可以直接使用網上已有的調試工具。直接選用網上的串口調試助手進行了測試，將數據從計算機送出，經過UART接口接收后再送回計算機。經過長達數十分鐘的不間斷接收和發(fā)送后，將送回計算機的數據與原始數據進行比較，多次測試均沒有發(fā)生任何錯誤，這充分說明了這一UART接口程序具有高度的可靠性和穩(wěn)定性，可以滿足設計要求。
結束語
基于FPGA設計和實現UART，可以用片上很少的邏輯單元實現UART的基本功能。與傳統(tǒng)設計相比，能有效減少系統(tǒng)的PCB面積，降低系統(tǒng)的功耗，提高設計的穩(wěn)定性和可靠性，并可方便地進行系統(tǒng)升級和移植。
本設計具有較大的靈活性，通過調整波特率發(fā)生器的分頻參數，就可以使其工作在不同的頻率。采用16倍波特率的采樣時鐘，可以實時有效探測數據的起始位，并可對數據位進行“對準”中央采樣，保證了所采樣數據的正確性。該模塊可以作為一個完整的IP核移植進各種FPGA中，在實際應用時可嵌入到其他系統(tǒng)中，很容易實現和遠端上位機的異步通信。
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