基于FPGA的UART 16倍頻采樣的VHDL設(shè)計(jì)

概述

隨著電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)技術(shù)的發(fā)展，可編程邏輯器件FPGA/CPLD已經(jīng)在許多方面得到了廣泛應(yīng)用，而UART(通用異步收發(fā)器) 是在數(shù)字通信和控制系統(tǒng)中廣泛使用的串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。因此越來越多用戶根據(jù)自己的需要，以EDA技術(shù)作為開發(fā)手段，用一塊FPGA/CPLD設(shè)計(jì)出符合自己需要的UART芯片?；贔PGA/ CPLD的UART設(shè)計(jì)在諸多文獻(xiàn)中都有論述，在此不再對(duì)UART整個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)做太多的論述。本文著重分析UART接收器起始位的檢測(cè)。

3倍頻采樣的缺陷

首先，串行異步通信規(guī)定了字符數(shù)據(jù)的傳送格式。每一幀數(shù)據(jù)由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位、停止位和線路空閑狀態(tài)組成，格式如圖1所示。一般情況起始位為1位，數(shù)據(jù)位為5、6、7或8位、奇偶校驗(yàn)位為1位，停止位為1、1.5或2位。其中的起始位和停止位就是用來實(shí)現(xiàn)字符的同步。在空閑狀態(tài),傳送線為邏輯“1”狀態(tài)。數(shù)據(jù)的傳送總是以一個(gè)“起始位”開始的,接著是要傳送的若干數(shù)據(jù)位,低位先行,最后是一個(gè)“1”狀態(tài)的“停止位”;那么，當(dāng)接收器檢測(cè)到一個(gè)“1”向“0”的跳變時(shí)，便視為可能的起始位。起始位被確認(rèn)后,就知道發(fā)送器已開始發(fā)送，當(dāng)接收了已協(xié)議好的位數(shù)后并接收到字符幀中停止位就是一幀字符數(shù)據(jù)已發(fā)送完畢。這樣，接收器就知道發(fā)送器何時(shí)開始發(fā)送數(shù)據(jù)和何時(shí)結(jié)束發(fā)送數(shù)據(jù)。

要提高接收器的接收準(zhǔn)確性，減少誤碼率，必須要用比數(shù)據(jù)波特率高n 倍(n≥1)的速率對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。文獻(xiàn)2中采用了非常規(guī)的3倍頻采樣方法：用3倍頻的波特率對(duì)每一位數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣(如圖2所示)，然后對(duì)3次采樣結(jié)果進(jìn)行判決。如果3次采樣中至少有2次為高電平，則接收這一位數(shù)據(jù)被判決為高電平，否則，為低電平。

此方法剛開始給人感覺比常規(guī)的16倍頻采樣準(zhǔn)確性高，因?yàn)槊恳晃粩?shù)據(jù)都進(jìn)行3取2的判決，而16倍頻采樣對(duì)每位數(shù)據(jù)只進(jìn)行一次中間采樣。然而筆者在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)了其存在抗干擾性差，移植性差等不足。筆者在應(yīng)用中自定義的異步數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)達(dá)21位，應(yīng)用環(huán)境是渦輪工作間。在這樣條件下，3倍頻采樣比在良好的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境性能差了很多，誤碼率很高。

經(jīng)分析代碼，發(fā)現(xiàn)3倍頻采樣方法在檢測(cè)異步數(shù)據(jù)起始位沒有任何的抗干擾處理。如果在接收線上存在干擾信號(hào)，即使是一個(gè)很窄負(fù)脈沖干擾，接收器也會(huì)誤判為是數(shù)據(jù)幀的起始位，從而產(chǎn)生采樣時(shí)鐘進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)采樣。圖3所示為存在干擾信號(hào)時(shí)，檢測(cè)起始位信號(hào)時(shí)序仿真波形。圖中COLCK3-IN是3倍頻采樣時(shí)鐘，CLOCK1-IN是數(shù)據(jù)波特率，DATAIN是接收線上的數(shù)據(jù)。從圖中看出，干擾信號(hào)后,COLCK3-IN時(shí)鐘產(chǎn)生，接收器接收數(shù)據(jù)?？梢娊邮盏降臄?shù)據(jù)都是錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。簡(jiǎn)單說，文獻(xiàn)2中所論述方法不能識(shí)別真假數(shù)據(jù)起始位。再?gòu)某绦蚩梢浦残詠碚f，3倍頻采樣時(shí)鐘是用三個(gè)數(shù)值進(jìn)行計(jì)數(shù)判斷而得，當(dāng)波特率改變，其數(shù)值都要做相應(yīng)改變，這就增加了程序的修改難度。

16倍頻采樣起始位的檢測(cè)

3倍頻采樣方法無法識(shí)別真假數(shù)據(jù)起始位，導(dǎo)致其抗干擾性差，準(zhǔn)確性得不到保證。筆者拋棄非常規(guī)3倍頻采樣方法，采用了常規(guī)的16倍頻采樣方法：采用數(shù)據(jù)速率的16倍進(jìn)行采樣，采樣時(shí)鐘連續(xù)采樣到8個(gè)低電平信號(hào)，可確定該低電平為真正的起始位，從而防止干擾信號(hào)產(chǎn)生的假起始位現(xiàn)象的發(fā)生。此后，接收器每隔16個(gè)采樣時(shí)鐘采樣一次，并把采樣到的數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，以移位方式存入到接收移位寄存器。

起始位檢測(cè)8個(gè)連續(xù)脈沖的另一個(gè)更重要的原因是，采用16倍頻采樣的時(shí)鐘，第8個(gè)采樣脈沖所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)波形正好是該位數(shù)據(jù)位波形的正中點(diǎn)(以時(shí)鐘上升沿采樣)，在該處讀寫數(shù)據(jù)應(yīng)該是最安全點(diǎn)。

在設(shè)計(jì)時(shí)，充分抓住異步數(shù)據(jù)的特征進(jìn)行設(shè)計(jì)：起始位為低電平、停止位為高電平、每幀數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)相同。根據(jù)異步數(shù)據(jù)這些特征就可設(shè)計(jì)出以下相應(yīng)程序：

process(clk16x,start) --產(chǎn)生clk1x時(shí)鐘進(jìn)程
begin
if start=’0’ then
q<="0001";
elsif clk16x’event and clk16x=’1’
then
q<=q+1;
end if;
end procESS ;
clk1x<=q(3);
process(clk16x,i,serialin,rst) --起始位檢測(cè)進(jìn)程
begin
if rst=’1’ then
start<=’0’;
elsif rising_edge(clk16x) then 　　 if serialin=’0’ then
start<=’1’ ;
elsif over=’0’ then
start<=’1’;
else start<=’0’;
end if;
end if;
end process;
process(clk1x,serialin,i,rst) --讀數(shù)據(jù)進(jìn)程
begin
if rst=’1’ then
buff<= (others => ’1’);
Dout_P<= (others => ’1’);
i<=0;
over<=’1’;
elsif rising_edge(clk1x) then
if i<>
buff21<=serialin;
i<=i+1;
over<=’0’; 　　 else
i<=0;
over<=’1’;
Dout_P<=buff;
end if;
end if;
end process ;

本設(shè)計(jì)采用VHDL硬件描述語言來進(jìn)行描述。clk16x為16倍頻采樣時(shí)鐘，clk1x是檢測(cè)到真正起始位后由clk16x時(shí)鐘分頻產(chǎn)生的采樣時(shí)鐘，start為開始接收數(shù)據(jù)信號(hào)(接收數(shù)據(jù)期間為高電平)、serialin為異步數(shù)據(jù)輸入端口。平常，接收器按clk16x時(shí)鐘上升采樣serialin。當(dāng)采樣時(shí)鐘檢測(cè)到低電平時(shí)輸出一個(gè)高電平給start信號(hào)，clk1x分頻計(jì)數(shù)器啟動(dòng)。如果連續(xù)采集8個(gè)脈沖都為低電平(起始位之半)，即確定該低電平為起始位，輸出一個(gè)低電平給接收數(shù)據(jù)完信號(hào)over(接收數(shù)據(jù)期間為低電平，接收完數(shù)據(jù)為高電平)，over信號(hào)在低電平檢測(cè)共同作用下保持start為高電平。start長(zhǎng)時(shí)間保持高電平(8個(gè)clk16周期T)產(chǎn)生clk1x時(shí)鐘。反之判別為假起始位，over仍然為高電平，start卻變?yōu)榈碗娖剑琧lk1x分頻計(jì)數(shù)器復(fù)位，一直等到下次檢測(cè)serialin為低電平才重新啟動(dòng)。可見，只有確定了起始位，clk1x時(shí)鐘才會(huì)產(chǎn)生，否則不產(chǎn)生。而clk16x時(shí)鐘始終存在，保證不會(huì)錯(cuò)過每次接收線上的數(shù)據(jù)采樣。

結(jié)語

按常規(guī)的16倍頻采樣方法接收異步數(shù)據(jù)，其抗干擾性、移植性等都優(yōu)于3倍頻采樣方法。實(shí)際應(yīng)用表明，提高采樣倍數(shù)，接收準(zhǔn)確性相應(yīng)提高;在一定范圍內(nèi)，提高數(shù)據(jù)波特率不會(huì)影響接收準(zhǔn)確性。