基于FPGA的通用異步收發(fā)器設(shè)計(jì)

摘要：采用Verilog HDL語(yǔ)言作為硬件功能的描述，運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)方法分別設(shè)計(jì)了通用異步收發(fā)器(UART)的發(fā)送模塊、接收模塊和波特率發(fā)生器，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)可移植的UART模塊。該設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了串行異步通信的主要功能，而且電路簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定、可靠，可以將其靈活地嵌入到各個(gè)通信系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞：通用異步收發(fā)器；現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列；Verilog HDL；串行通信

串行通信要求的傳輸線少，可靠性高，傳輸距離遠(yuǎn)，被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)和外設(shè)的數(shù)據(jù)交換。通常都由通用異步收發(fā)器(UART)來(lái)實(shí)現(xiàn)串口通信的功能。在實(shí)際應(yīng)用中，往往只需要UART的幾個(gè)主要功能，專(zhuān)用的接口芯片會(huì)造成資源浪費(fèi)和成本提高。隨著FPGA／CPLD的飛速發(fā)展與其在現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用，F(xiàn)PGA／CPLD功能強(qiáng)大、開(kāi)發(fā)過(guò)程投資小、周期短、可反復(fù)編程、保密性好等特點(diǎn)也越來(lái)越明顯。因此可以充分利用其資源，在芯片上集成UART功能模塊，從而簡(jiǎn)化了電路、縮小了體積、提高了可靠性，而且設(shè)計(jì)時(shí)的靈活性更大，周期更短。鑒于此本文提出了一種采用FPGA實(shí)現(xiàn)UART功能的方法，可以有效地解決上述問(wèn)題。

1 UART的工作原理

UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter，通用異步收發(fā)器)是廣泛使用的異步串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。在串行通信中，數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位的字節(jié)幀進(jìn)行傳送。發(fā)送端和接收端必須按照相同的字節(jié)幀格式和波特率進(jìn)行通信。UART控制器所傳輸?shù)囊粠袛?shù)據(jù)包括1位起始位(低電平)、5～8位數(shù)據(jù)位、1位校驗(yàn)位(可選)和停止位(可為1，1．5，2位)。起始位是字節(jié)幀的開(kāi)始，使數(shù)據(jù)線處于邏輯0狀態(tài)，用于向接收端表明開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)幀，起到使發(fā)送和接收設(shè)備實(shí)現(xiàn)同步的功能。停止位是字節(jié)幀的終止，使數(shù)據(jù)線處于邏輯1狀態(tài)。用于向接收端表明數(shù)據(jù)幀發(fā)送完畢。波特率采用標(biāo)準(zhǔn)速率9 600 b／s。數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)，低位在前，高位在后。接收端檢測(cè)并確認(rèn)起始位后，接收數(shù)據(jù)位。停止
位接收完畢后，向CPU發(fā)出中斷信號(hào)，同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)的8位數(shù)據(jù)總線上；發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先由CPU設(shè)置波特率，然后將8位并行數(shù)據(jù)加上起始位和停止位發(fā)送給外設(shè)。停止位發(fā)送完畢后，向CPU發(fā)出中斷信號(hào)。在數(shù)據(jù)發(fā)送和接收過(guò)程中，CPU可以通過(guò)控制信號(hào)來(lái)讀取UART的工作狀態(tài)，以便進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。

2 UART的模塊化設(shè)計(jì)

2．1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

在大規(guī)模電路的設(shè)計(jì)中，廣泛采用層次化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法。它將一個(gè)完整的硬件設(shè)計(jì)任務(wù)從系統(tǒng)級(jí)開(kāi)始，劃分為若干個(gè)可操作的模塊，編制出相應(yīng)的模型并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，最后在系統(tǒng)級(jí)上進(jìn)行組合。這樣在提高設(shè)計(jì)效率的同時(shí)又提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，是目前復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要手段，也是本文設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)。按照系統(tǒng)功能進(jìn)行劃分，UART主要由波特率發(fā)生器、接收模塊和發(fā)送模塊三大部分組成。在Maxp-lusⅡ仿真環(huán)境下，由各個(gè)子模塊進(jìn)行綜合的系統(tǒng)總模塊如圖1所示。下面分別討論發(fā)送模塊、接收模塊和波特率發(fā)生器模塊的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

2．2 發(fā)送模塊
2．2．1 發(fā)送模塊及其功能
   
發(fā)送模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)并行數(shù)據(jù)的緩存、并串轉(zhuǎn)換，并把串行數(shù)據(jù)按照既定數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行輸出。發(fā)送模塊的引腳如圖2所示，各引腳功能見(jiàn)表1。

由CPU送來(lái)的待發(fā)送的并行數(shù)據(jù)，首先寫(xiě)入發(fā)送緩沖器TBR[7．．0]。發(fā)送緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)待發(fā)送時(shí)，數(shù)據(jù)自動(dòng)裝入移位寄存器TSR[7．．0]并自動(dòng)完成串行數(shù)據(jù)的發(fā)送。首先傳送一位起始位0，然后根據(jù)幀結(jié)構(gòu)中定義的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，分別串行移出TSR[7．．0]中的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的低位在前，高位在后。當(dāng)沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)候，SDO管腳保持高電平。

2．2．2 發(fā)送模塊功能仿真

發(fā)送器功能仿真結(jié)果如圖3所示。二進(jìn)制數(shù)11110000從引腳DIN[7．．0]并行輸入，當(dāng)WRN為0時(shí)，啟動(dòng)發(fā)送程序，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，使發(fā)送器將并行數(shù)據(jù)鎖存到發(fā)送緩沖器TBR[7．．0]，并通過(guò)發(fā)送移位寄存器TSR[7．．0]逐位移位發(fā)送串行數(shù)據(jù)至串行數(shù)據(jù)輸出端SDO。在數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程中用輸出信號(hào)TBRE，TSRE作為標(biāo)志信號(hào)。當(dāng)一幀數(shù)據(jù)由發(fā)送緩沖器TBR[7．．0]送到發(fā)送移位寄存器TSR[7．．0]時(shí)，TBRE信號(hào)為1。由發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器傳給發(fā)送移位寄存器主要由信號(hào)TSRE控制。當(dāng)TSRE為1時(shí)，表示發(fā)送移位寄存器TSR[7．．0]串行發(fā)送完畢；為0時(shí)表示還沒(méi)
有發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)。由仿真結(jié)果驗(yàn)證了發(fā)送模塊的正確性。

2．3 接收模塊

2．3．1 接收模塊及其功能

接收模塊的作用是把收到的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，并判斷收到的數(shù)據(jù)是否有錯(cuò)。接收模塊的引腳如圖4所示，各引腳功能見(jiàn)表2。

接收器進(jìn)入準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，不斷監(jiān)視串行輸入線RXD端，如果出現(xiàn)低電平，立刻啟動(dòng)起始位檢測(cè)電路進(jìn)行確認(rèn)，一旦確認(rèn)為接收到正確的起始位，則以波特率作為采樣時(shí)鐘，對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)位的中間位置采樣一次，并把采樣到的信息以移位方式送人接收移位寄存器RSR。接收到一幀數(shù)據(jù)位后，把串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成并行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行奇偶校驗(yàn)、停止位、中止態(tài)的檢查。接收完畢后，DAT_READ置1。

2．3．2 接收模塊功能仿真

接收模塊功能仿真結(jié)果如圖5所示。二進(jìn)制數(shù)11101010從引腳RXD串行輸入，接收器先要捕捉起始位，在RDN信號(hào)為0條件下，啟動(dòng)接收程序，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，數(shù)據(jù)從RXD[7．．0]串行輸入，由接收移位寄存器RSR[7．．0]逐位移位接收，并在接收完成時(shí)傳送給接收緩沖寄存器RBR[7．．0]，最后接收緩沖寄存器RBR[7．．0]將接收的數(shù)據(jù)傳送至DOUT[7．．0]，由它并行輸出，同時(shí)輸出一個(gè)接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好信號(hào)DATA _RE標(biāo)志數(shù)據(jù)接收完畢。

2．4 波特率發(fā)生器模塊

2．4．1 波特率發(fā)生器模塊及其功能

波特率發(fā)生器模塊主要用于產(chǎn)生接收模塊和發(fā)送模塊的時(shí)鐘頻率，其實(shí)質(zhì)就是一個(gè)分頻器，可以根據(jù)給定的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率和要求的波特率算出波特率分頻因子，作為分頻器的分頻數(shù)。波特率發(fā)生器產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率CLK16X不是波特率時(shí)鐘頻率CLK，而是波特率時(shí)鐘頻率CLK的16倍。波特率發(fā)生器模塊的引腳如圖6所示，其功能如表3所示。

2．4．2 波特率發(fā)生器功能仿真

UART在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)，使用的時(shí)鐘信號(hào)頻率f是波特率(b=9 600 b／s)的16倍，由外部系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行16分頻得到。UART每16個(gè)波特時(shí)鐘發(fā)送或接收一個(gè)二進(jìn)制位，設(shè)計(jì)中采用的晶振頻率c=25 MHz，那么波特率發(fā)生器輸出的時(shí)鐘信號(hào)周期為：

   
波特率發(fā)生器的功能仿真如圖7所示。

本設(shè)計(jì)用晶振為25 MHz，由公式可得出輸出波形的半個(gè)周期應(yīng)為k／2，即81倍的輸入時(shí)鐘周期，仿真結(jié)果驗(yàn)證了波特率發(fā)生器模塊的正確性。

3 結(jié)語(yǔ)

UlART是廣泛使用的串行數(shù)據(jù)通信電路，因其要求的傳輸線少，可靠性高，傳輸距離遠(yuǎn)，所以系統(tǒng)間互聯(lián)常采用異步串行通信接口方式。本文用Verilog HDL語(yǔ)言，結(jié)合有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了UART的功能，將其核心功能集成到FPGA上，使整體設(shè)計(jì)緊湊、小巧，實(shí)現(xiàn)的UART功能穩(wěn)定、可靠；同時(shí)，利用有限狀態(tài)機(jī)的方法具有結(jié)構(gòu)模式直觀簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)流程短，程序?qū)哟畏置?，易綜合，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，必將在EDA技術(shù)中發(fā)揮重要作用。