基于FPGA的RS232異步串行口IP核設(shè)計(jì)

1 引言
    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)常需要進(jìn)行異步串行數(shù)據(jù)傳輸。目前廣泛使用的RS232異步串行接口，如8250、 NS16450等專用集成器件，雖然使用簡單，卻占用電路板面積、布線復(fù)雜等缺點(diǎn)。片上系統(tǒng)SoC(System on Chip)是以嵌入式系統(tǒng)為核心，以IP復(fù)用技術(shù)為基礎(chǔ)，集軟、硬件于一體的設(shè)計(jì)方法。使用IP復(fù)用技術(shù)，將UART集成到FPGA器件上，可增加系統(tǒng)的可靠性，縮小PCB板面積；其次由于IP核的特點(diǎn)，使用IP核可使整個(gè)系統(tǒng)更加靈活，還可根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)功能升級、擴(kuò)充和裁減。這里采用VHDL語言編寫 UART模塊，將其集成到FPGA上，與器件其他功能模塊構(gòu)成片上系統(tǒng)SoC。

2 異步串行口模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2．1 UART結(jié)構(gòu)
    圖1為完整的UART接口，包括由發(fā)送鎖存器、發(fā)送移位寄存器和邏輯控制組成的發(fā)送模塊(txmit)，以及由接收鎖存器、接收移位寄存器和邏輯控制組成的接收模塊(rxcver)。發(fā)送模塊和接收模塊除共用復(fù)位信號、時(shí)鐘信號和并行數(shù)據(jù)線外，各自分別有輸入輸出和邏輯控制單元。

2．2 UART的幀格式
    圖2為UART的幀格式。該幀格式包括線路空閑狀態(tài)(idie，高電平)、起始位 (start bit，低電平)、5~8位數(shù)據(jù)位(databit)、校驗(yàn)位(parity bit，可選)和停止位(stop bit，位數(shù)可為1、1．5、2位)。該格式是由起始位和停止位實(shí)現(xiàn)字符同步。UART內(nèi)部一般有配置寄存器，可配置數(shù)據(jù)位數(shù)(5～8位)、是否有校驗(yàn)位和校驗(yàn)的類型、停止位的位數(shù)等設(shè)置。

2．3 波特率時(shí)鐘的控制
    由于數(shù)字量接口、工作模式選擇、實(shí)時(shí)監(jiān)測接口的波特率都不同，UART核包含一個(gè)可編程的波特率發(fā)生器，可靈活配置波特率。波特率發(fā)生器給發(fā)送模塊和接收模塊提供發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)時(shí)鐘，波特率發(fā)生器產(chǎn)生的時(shí)鐘mclkx16是串行數(shù)據(jù)波特率的16倍。它對系統(tǒng)時(shí)鐘n分頻，n=系統(tǒng)時(shí)鐘／波特率×16，針對不同波特率設(shè)定相應(yīng)數(shù)值可得到所期望的波特率時(shí)鐘。
2．4 發(fā)送模塊設(shè)計(jì)
    發(fā)送模塊分為空閑、載入數(shù)據(jù)、移位等3種模式。如圖3所示。當(dāng)并行8位數(shù)據(jù)從總線寫入發(fā)送模塊后，發(fā)送模塊將并行數(shù)據(jù)裝入鎖存器thr中，然后在移位寄存器tsr中將數(shù)據(jù)移位，產(chǎn)生完整的發(fā)送序列(包括起始位，數(shù)據(jù)位，奇偶校驗(yàn)位和停止位)，以相應(yīng)波特率從tx發(fā)送。發(fā)送模塊的輸入時(shí)鐘mclkx16是串行數(shù)據(jù)波特率的16倍，模塊內(nèi)部將其16分頻后得到波特率時(shí)鐘txclk。

    發(fā)送模塊部分VHDL程序如下：

2．5 接收模塊設(shè)計(jì)
    接收模塊也分為空閑、檢測起始位、移位等3種模式。如圖4所示。首先捕捉起始位，在 mclkx16時(shí)鐘下不斷檢測從rx端輸入數(shù)據(jù)的起始位，當(dāng)檢測到起始位后，接收模塊由空閑模式轉(zhuǎn)換為移位模式，并且16分頻mclkx16產(chǎn)生 rxclk波特率時(shí)鐘。此時(shí)rxclk時(shí)鐘的上升沿位于串行數(shù)據(jù)每一位的中間，這樣接下來的數(shù)據(jù)在每一位的中點(diǎn)采樣。然后由rxclk控制在上升沿將數(shù)據(jù)位寫入移位寄存器rgr的rsr[7]位，并且rsr右移1位，依次將8位數(shù)據(jù)全部寫入rsr，并且停止產(chǎn)生rxclk波特率時(shí)鐘。判斷奇偶校驗(yàn)、幀結(jié)構(gòu)和溢出標(biāo)志正確后，rsr寄存器中的數(shù)據(jù)寫入rhr數(shù)據(jù)鎖存寄存器中，最后由8位數(shù)據(jù)總線輸出轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)。

    接收模塊部分VHDL程序如下：

3 硬件電路設(shè)計(jì)
    UART IP核設(shè)計(jì)完成后需要嵌入FPGA系統(tǒng)中才能運(yùn)行，該系統(tǒng)選用Xilinx公司Spartan-IIE XC2S50型FPGA和與其配套的EPROM XC18V01組成，如圖5所示。該系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的功能，實(shí)現(xiàn)IP核的驗(yàn)證。

4 結(jié)果分析
    程序經(jīng)仿真驗(yàn)證后，須綜合生成IP核并嵌人FPGA中。使用Xilinx公司的Xilinx ISE工具綜合UART模塊，F(xiàn)PGA選用Xilinx公司Spartan-IIE XC2S50，系統(tǒng)時(shí)鐘40 MHz。經(jīng)Xil-inx ISE后，資源使用結(jié)果如表1所示。表明使用少量FPGA的Slice和LUT單元就可生成UART核，節(jié)省資源UART核可靈活分成接收和發(fā)送兩部分，可根據(jù)需要選擇使用。節(jié)省系統(tǒng)資源；一些控制標(biāo)志字也可根據(jù)需要自行刪減和擴(kuò)充。最后將集成有UART核的FPGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與測試臺進(jìn)行異步串行通信實(shí)驗(yàn)，檢測通信數(shù)據(jù)表明使用UART核傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)束語
    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)經(jīng)常采用UART異步串行通信接口作為系統(tǒng)的短距離串行通信。相對于傳統(tǒng)的UART器件來說，把具有UART功能的IP核集成在FPGA中的更有利于提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，減小電路板面積。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的UART IP核通過仿真驗(yàn)證，經(jīng)綜合、編譯、嵌入FPGA，成功實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通信。