基于FPGA和單片機(jī)的串行通信接口設(shè)計(jì)
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摘要：本文針對(duì)由FPGA
FPGA
現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（FPGA, Field Programmable Gate Array），是一個(gè)含有可編輯元件的半導(dǎo)體設(shè)備，可供使用者現(xiàn)場(chǎng)程式化的邏輯門陣列元件。FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可編輯器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。 [全文]
構(gòu)成的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力弱的問題，提出FPGA與單片機(jī)
單片機(jī)
單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)（Single-Chip Microcomputer）的簡(jiǎn)稱，是一種將中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)集成到一塊硅片上構(gòu)成的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 [全文]
實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)串行通信的解決方案。在通信過程中完全遵守RS232協(xié)議，具有較強(qiáng)的通用性和推廣價(jià)值。
1 前言
現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件（FPGA）在高速采集系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣，由于FPGA對(duì)采集到的數(shù)據(jù)的處理能力比較差，故需要將其采集到的數(shù)據(jù)送到其他CPU
CPU
CPU也稱為中央處理器，是電子計(jì)算機(jī)的主要設(shè)備之一。其功能主要是解釋計(jì)算機(jī)指令以及處理計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。所謂的計(jì)算機(jī)的可編程性主要是指對(duì)CPU的編程。CPU是計(jì)算機(jī)中的核心配件，只有火柴盒那么大，幾十張紙那么厚，但它卻是一臺(tái)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算核心和控制核心。計(jì)算機(jī)中所有操作都由CPU負(fù)責(zé)讀取指令，對(duì)指令譯碼并執(zhí)行指令的核心部件。CPU、內(nèi)部存儲(chǔ)器和輸入/輸出設(shè)備是電子計(jì)算機(jī)的三大核心部件。 [全文]
系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理功能，這就使FPGA系統(tǒng)與其他CPU系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信提到日程上，得到人們的急切關(guān)注。本文介紹利用VHDL語言實(shí)現(xiàn) FPGA與單片機(jī)的串口
串口
串口是計(jì)算機(jī)上一種非常通用的設(shè)備通信協(xié)議，大多數(shù)計(jì)算機(jī)包含兩個(gè)基于RS232的串口。串口同時(shí)也是儀器儀表設(shè)備的通信協(xié)議，并可用于獲取遠(yuǎn)程采集設(shè)備的數(shù)據(jù)。 [全文]
異步通信電路。
整個(gè)設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，可分為四個(gè)模塊：FPGA數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，F(xiàn)PGA波特率發(fā)生控制模塊，F(xiàn)PGA總體接口模塊以及單片機(jī)數(shù)據(jù)接收模塊
接收模塊
接收模塊的工作電壓為5伏，靜態(tài)電流4毫安，它為超再生接收電路，接收靈敏度為－105dbm，接收天線最好為25～30厘米的導(dǎo)線，最好能豎立起來。接收模塊本身不帶解碼集成電路，因此接收電路僅是一種組件，只有應(yīng)用在具體電路中進(jìn)行二次開發(fā)才能發(fā)揮應(yīng)有的作用，這種設(shè)計(jì)有很多優(yōu)點(diǎn)，它可以和各種解碼電路或者單片機(jī)配合，設(shè)計(jì)電路靈活方便。 [全文]
。本文著重對(duì)FPGA數(shù)據(jù)發(fā)送模塊實(shí)現(xiàn)進(jìn)行說明。
2 FPGA數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的設(shè)計(jì)
根據(jù)RS232 異步串行通信來的幀格式，在FPGA發(fā)送模塊中采用的每一幀格式為：1位開始位+8位數(shù)據(jù)位+1位奇校驗(yàn)位+1位停止位，波特率為2400。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是將一個(gè)16位的數(shù)據(jù)封裝成高位幀和低位幀兩個(gè)幀進(jìn)行發(fā)送，先發(fā)送低位幀，再發(fā)送高位幀，在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，加上文件頭和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，文件頭用555555來表示，只有單片機(jī)收到555555時(shí)，才將下面?zhèn)鬏數(shù)臄?shù)據(jù)長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)位進(jìn)行接收，并進(jìn)行奇校驗(yàn)位的檢驗(yàn)，正確就對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)處理功能，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可以根據(jù)需要任意改變。由設(shè)置的波特率可以算出分頻系數(shù)，具體算法為分頻系數(shù)X=CLK/(BOUND*2)?？捎纱耸剿愠鏊璧娜我獠ㄌ芈?。下面是實(shí)現(xiàn)上述功能的VHDL源程序。
Library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_arith.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity atel2_bin is
port( txclk: in std_logic; --2400Hz的波特率時(shí)鐘
reset: in std_logic; --復(fù)位信號(hào)
din: in std_logic_vector(15 downto 0); --發(fā)送的數(shù)據(jù)
start: in std_logic; --允許傳輸信號(hào)
sout: out std_logic --串行輸出端口
);
end atel2_bin;
architecture behav of atel2_bin is
signal thr,len: std_logic_vector(15 downto 0);
signal txcnt_r: std_logic_vector(2 downto 0);
signal sout1: std_logic;
signal cou: integer:=0;
signal oddb:std_logic;
type s is(start1,start2,shift1,shift2,odd1,odd2,stop1,stop2);
signal state:s:=start1;
begin
process(txclk)
begin
if rising_edge(txclk) then
if cou<3 then thr<="0000000001010101"; --發(fā)送的文件頭
elsif cou=3 then
thr<="0000000000000010"; --發(fā)送的文件長(zhǎng)度
elsif (cou>3 and state=stop2) then thr<=din;--發(fā)送的數(shù)據(jù)
end if;
end if;
end procESS;
process(reset,txclk)
variable tsr,tsr1,oddb1,oddb2: std_logic_vector(7 downto 0);
begin
if reset='1' then
txcnt_r<=(others=>'0');
sout1<='1';
state<=start1;
cou<=0;
elsif txclk'event and txclk='1' then
case state is
when start1=>
if start='1' then
if cou=3 then
len<=thr;
end if;
tsr:=thr(7 downto 0);
oddb1:=thr(7 downto 0);
sout1<='0'; --起始位
txcnt_r<=(others=>'0');
state<=shift1;
else
state<=start1;
end if;
when shift1=>
oddb<=oddb1(7) xor oddb1(6) xor oddb1(5) xor oddb1(4) xor oddb1(3) xor oddb1(2) xor oddb1(1) xor oddb1(0);
sout1<=tsr(0); --數(shù)據(jù)位
tsr(6 downto 0):=tsr(7 downto 1);
tsr(7):='0';
txcnt_r<=txcnt_r+1;
if (txcnt_r=7) then
state<=odd1;cou<=cou+1;
end if;
when odd1=> --奇校驗(yàn)位
if ddb='1' then
sout1<='0';state<=stop1;
else
sout1<='1';state<=stop1;
end if;
when stop1=>
sout1<='1'; --停止位
if cou<4 then
state<=start1;
else
state<=start2;
end if;
when start2=>
tsr1:=thr(15 downto 8);
oddb2:=thr(15 downto 8);
sout1<='0'; --起始位
txcnt_r<=(others=>'0');
state<=shift2;
when shift2=>
oddb<=oddb2(7) xor oddb2(6) xor oddb2(5) xor oddb2(4) xor oddb2(3) xor oddb2(2) xor oddb2(1) xor oddb2(0);
sout1<=tsr1(0);--數(shù)據(jù)位
tsr1(6 downto 0):=tsr1(7 downto 1);
tsr1(7):='0';
txcnt_r<=txcnt_r+1;
if (txcnt_r=7) then
state<=odd2;
end if;
when odd2=> --奇校驗(yàn)位
if ddb='1' then
sout1<='0';state<=stop2;
else
sout1<='1';state<=stop2;
end if;
when stop2=>
sout1<='1'; --停止位
if len="0000000000000000" then
state<=stop2;
else
state<=start1;
len<=len-1;
end if;
end case;
end if;
end process;
sout<=sout1;
end behav;
其中各信號(hào)的說明已在程序中標(biāo)明了。波形仿真圖如圖2所示。
圖2 FPGA數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)序仿真圖
圖中Din寫入值為3355H，波特率為2400Hz，Start信號(hào)始終置邏輯1，即隨時(shí)都能發(fā)送數(shù)據(jù)。Reset信號(hào)邏輯1時(shí)復(fù)位，邏輯0時(shí)電路開始工作。THR是數(shù)據(jù)寄存器，文件頭、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度以及數(shù)據(jù)位都先寄存到THR中，Len是數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，TSR是低8位數(shù)據(jù)幀寄存器，TSR1是高8位數(shù)據(jù)幀寄存器。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度Len定為02H，發(fā)送時(shí)先發(fā)送低8位55H，后發(fā)送高8位33H，一共發(fā)送兩遍。發(fā)送的數(shù)據(jù)格式說明：當(dāng)發(fā)送55H時(shí)，其二進(jìn)制為01010101，則發(fā)送的數(shù)據(jù)的二進(jìn)制數(shù)為00101010111（1位開始位+8位數(shù)據(jù)位+1位奇校驗(yàn)位+1位停止位）。
單片機(jī)部分先對(duì)FPGA發(fā)送過來的文件頭進(jìn)行確認(rèn)，正確就接收文件，否則放棄接收的數(shù)據(jù)。根據(jù)FPGA發(fā)送模塊的協(xié)議，對(duì)串口控制寄存器SCON和波特率控制寄存器PCON的設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)。
3 總結(jié)
目前電子產(chǎn)品的開發(fā)中經(jīng)常要綜合運(yùn)用EDA
EDA
電子設(shè)計(jì)技術(shù)的核心就是eda技術(shù)，eda是指以計(jì)算機(jī)為工作平臺(tái)，融合應(yīng)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能化技術(shù)最新成果而研制成的電子cad通用軟件包，主要能輔助進(jìn)行三方面的設(shè)計(jì)工作，即ic設(shè)計(jì)、電子電路設(shè)計(jì)和pcb設(shè)計(jì)。eda技術(shù)已有30年的發(fā)展歷程，大致可分為三個(gè)階段。70年代為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(cad)階段，人們開始用計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行ic版圖編輯、pcb布局布線，取代了手工操作。80年代為計(jì)算機(jī)輔助工程(cae)階段。與cad相比，cae除了有純粹的圖形繪制功能外，又增加了電路功能設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且通過電氣連接網(wǎng)絡(luò)表將兩者結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了工程設(shè)計(jì)。cae的主要功能是：原理圖輸人，邏輯仿真，電路分析，自動(dòng)布局布線，pcb后分析。90年代為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化(eda)階段。 [全文]
技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，那么電路各部分經(jīng)常需要數(shù)據(jù)交換。本文也是基于此給出這方面應(yīng)用的實(shí)例，供開發(fā)者交流。(
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