基于CPLD／FPGA的多串口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：在工業(yè)控制中如何提高一對(duì)多的串口通訊可靠性和系統(tǒng)的集成性成為研究熱點(diǎn)。本文利用嵌入式技術(shù)，提出基于CPLD／FPGA的多串口擴(kuò)展設(shè)計(jì)方案。實(shí)現(xiàn)并行口到多個(gè)全雙工異步通訊口之間的轉(zhuǎn)換，并根據(jù)嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的需要，在每個(gè)UART接收器中開(kāi)辟了8個(gè)接收緩沖單元，實(shí)現(xiàn)高速嵌入式CPU與RS232通訊設(shè)備之間的速度匹配，同時(shí)，串行口波特率等參數(shù)可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置。通過(guò)實(shí)踐證明，本文設(shè)計(jì)的基于CPLD／FPGA的多串口完全符合工業(yè)控制中一對(duì)多串口通訊的要求。
關(guān)鍵詞：CPLD／FPGA；多串口擴(kuò)展；全雙工；異步通信；嵌入式系統(tǒng)

在工業(yè)控制中，設(shè)備的通訊與控制主要采用簡(jiǎn)潔高效的串口方式進(jìn)行。工控機(jī)通過(guò)PCI擴(kuò)展卡方式進(jìn)行串口的擴(kuò)展，或采用電路復(fù)雜的擴(kuò)展芯片實(shí)現(xiàn)串口擴(kuò)展。隨著嵌入式技術(shù)發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用逐步代替了成本高昂的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。為了簡(jiǎn)化硬件電路的設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)成本，本文提出了一種基于CPLD／FPGA多串口擴(kuò)展的方案，實(shí)現(xiàn)多個(gè)外設(shè)串口的擴(kuò)展和管理，同時(shí)解決一對(duì)多的串口通訊可靠性問(wèn)題，滿足嵌入式系統(tǒng)串口擴(kuò)展的需求。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本設(shè)計(jì)以CPLD／FPGA芯片為核心，在芯片內(nèi)部通過(guò)設(shè)計(jì)、編程實(shí)現(xiàn)并行總線接口到多個(gè)串行口的擴(kuò)展。設(shè)計(jì)的多串口擴(kuò)展包括并行總線接口、4路接收緩沖器、4路發(fā)送器、波特率發(fā)生器和UART接口。為實(shí)現(xiàn)高速嵌入式CPU與RS232通訊設(shè)備之間的速度匹配，充分利用嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，在每個(gè)接收緩沖器中開(kāi)辟了8個(gè)接收緩沖單元。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)嵌入式系統(tǒng)擴(kuò)展的需要，靈活增減串口數(shù)量以及接收緩沖單元個(gè)數(shù)。在通訊過(guò)程，波特率發(fā)生器的時(shí)鐘信號(hào)由外部有源晶振提供，選擇合適的晶振頻率即可獲得高性能的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 功能模塊設(shè)計(jì)
2．1 接收緩沖模塊
2．1．1 接收緩沖模塊構(gòu)架
在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為便于串口擴(kuò)展功能的實(shí)現(xiàn)，將功能相似的部件進(jìn)行了集成。本設(shè)計(jì)以4路UART接口擴(kuò)展為例，接收緩沖部分包含了4個(gè)獨(dú)立的接收緩沖器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。接收緩沖器共用clk時(shí)鐘信號(hào)，并將其作為串行數(shù)據(jù)接收的波特率；每個(gè)接收緩沖器均有單獨(dú)的rxd、bf、cs引腳，其功能分別為：串行數(shù)據(jù)輸入、接收緩沖器儲(chǔ)存狀態(tài)、接收緩沖器片選。各接收緩沖器的片選端分別與2-4譯碼器的輸出腳相連。譯碼器的輸入端構(gòu)成了4路接收緩沖器選擇的地址線，分別對(duì)應(yīng)a3、a4腳；結(jié)構(gòu)圖中數(shù)據(jù)總線d0～d7、讀緩沖端rd、緩沖儲(chǔ)存狀態(tài)清‘0’端clr和緩沖單元地址線a0～a2為共用信號(hào)端口，分別與4個(gè)接收緩沖器相連。

2．1．2 接收緩沖器內(nèi)部結(jié)構(gòu)
接收緩沖器內(nèi)部由RXD接收器、地址及寫控制器和雙端口RAM構(gòu)成，如圖3所示。

1)RXD接收器
RXD接收器的作用是接收串行設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)。clk腳引入波特率時(shí)鐘后，程序首先檢測(cè)串行數(shù)據(jù)輸入腳rxd的電平，當(dāng)檢測(cè)到rxd腳電平為‘0’即串行數(shù)據(jù)的開(kāi)始信號(hào)后，接收器開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。連續(xù)接收8位數(shù)據(jù)后，接收到的數(shù)據(jù)將被送至d0～d7端，同時(shí)reg_flag端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào)，觸發(fā)寫控制器的ad_cnt端，寫控制器的地址線加‘1’并同時(shí)產(chǎn)生雙端口RAM的寫操作信號(hào)，完成接收數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。
接收時(shí)，clk時(shí)鐘為波特率的16倍，clk信號(hào)8分頻后即串行數(shù)據(jù)位的周期的中間位置檢測(cè)rxd腳電平狀態(tài)，以保證串行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地接收，累計(jì)計(jì)數(shù)至16分頻時(shí)完成一位數(shù)據(jù)的接收。連續(xù)接收8位數(shù)據(jù)后，并判斷第9位狀態(tài)為‘1’時(shí)(停止位)，完成一個(gè)字節(jié)的接收。RXD接收器的程序如下：


2)寫控制器
寫控制器的ad_cnt端接收到RXD接收器的reg_flag負(fù)脈沖信號(hào)后，對(duì)地址寄存器進(jìn)行加‘1’操作，并將新的地址狀態(tài)送至雙端口RAM的地址總線a0～a2。同時(shí)，reg_flag負(fù)脈沖觸發(fā)寫控制器對(duì)clk時(shí)鐘計(jì)數(shù)，向雙端口RAM產(chǎn)生cs片選信號(hào)和wr寫控制信號(hào)，將RXD接收器d0～d7的數(shù)據(jù)寫入雙端口RAM地址線所對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元中。
3)雙端口RAM
通過(guò)一系列時(shí)序信號(hào)的組合，RXD接收器接收的數(shù)據(jù)將暫存到雙端口RAM中。本設(shè)計(jì)中，雙端口RAM直接調(diào)用的Quartus8．0存儲(chǔ)器子庫(kù)中的LPM_RAM_DP元件。
2．2 發(fā)送模塊
發(fā)送部分由4路并行的TXD發(fā)送器、2-4譯碼器和4輸入或門組成，如圖4所示。4路TXD發(fā)送器共用時(shí)鐘信號(hào)clk、數(shù)據(jù)端d0～d7、發(fā)送啟動(dòng)端load；每個(gè)發(fā)送器均有單獨(dú)sf、cs、txd引腳，其功能分別為：發(fā)送狀態(tài)標(biāo)志、TXD發(fā)送器選擇、串行數(shù)據(jù)輸出。TXD發(fā)送器的cs端分別與2-4譯碼器的輸出腳相連，譯碼器的輸入端a0～a1即構(gòu)成發(fā)送部分的地址線；發(fā)送器的sf端經(jīng)過(guò)4輸入或門輸出，構(gòu)成發(fā)送部分的發(fā)送狀態(tài)標(biāo)志。

在通訊過(guò)程中，load腳接收到CPU的控制信號(hào)后，根據(jù)地址線a0～a1的組合選擇相應(yīng)的TXD發(fā)送器，將數(shù)據(jù)總線d0～d7上的數(shù)據(jù)通過(guò)txd腳逐位輸出，通過(guò)串行總線發(fā)送至接收設(shè)備。一個(gè)字節(jié)發(fā)送完成后，發(fā)送狀態(tài)端sf置‘0’，CPU可檢測(cè)sf端的電平狀態(tài)，以判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送完成，也可以利用sf引腳的狀態(tài)觸發(fā)CPU中斷，完成多個(gè)數(shù)據(jù)的連續(xù)發(fā)送。發(fā)送器的程序與接收器相匹配，在此不再闡述。
2．3 波特率發(fā)生器
UART的接收和發(fā)送按照相同的波特率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。波特率發(fā)生器分別給接收部分和發(fā)送部分提供時(shí)鐘信號(hào)，并且接收的波特率時(shí)鐘是發(fā)送的16倍，利用16倍波特率時(shí)鐘對(duì)串行數(shù)據(jù)進(jìn)行高速采樣，以確保接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為實(shí)現(xiàn)與不同傳輸速率的串行設(shè)備通信，波特率發(fā)生器對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行不同系數(shù)的分頻，根據(jù)CPU控制線的組合可分別產(chǎn)生4800bit／s、9600bit／s、19200bit／s、38400bit／s等多種波特率。

3 仿真與實(shí)現(xiàn)
本串口擴(kuò)展器通過(guò)VHDL編程，在Ouartus8．0下進(jìn)行了仿真。由于仿真信號(hào)較多，僅對(duì)關(guān)鍵部件的信號(hào)進(jìn)行分析。圖5給出了RXD接收器仿真波形。在測(cè)試過(guò)程中，首先確定通信的波特率為19 200 bit／s，即RXD接收器CLK時(shí)鐘為波特率的16倍，發(fā)送設(shè)備通過(guò)串行總線向RXD接收器發(fā)送F1H，當(dāng)RXD接收器完成數(shù)據(jù)的接收后，立即將數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)總線d0～d7，仿真結(jié)果如圖5所示。

給寫控制器的ad_cnt端輸入地址計(jì)數(shù)脈沖，地址線a0～a2進(jìn)行加‘1’操作，片選線cs和寫操作端wr根據(jù)CLK時(shí)鐘信號(hào)相應(yīng)輸出低電平，完成接收數(shù)據(jù)的寫存儲(chǔ)。連續(xù)存儲(chǔ)8個(gè)字節(jié)后，緩沖器狀態(tài)標(biāo)志bf置‘1’。將clr端輸入低電平，bf標(biāo)志清‘0’，同時(shí)地址線a0～a2回到“000”狀態(tài)。寫控制器的仿真結(jié)果如圖6所示。

給TXD發(fā)送器的數(shù)據(jù)總線d0～d7輸入AAH，通過(guò)串行總線發(fā)送至接收設(shè)備。load端置‘0’，啟動(dòng)發(fā)送。發(fā)送完成后，sf標(biāo)志清‘0’。檢查接收設(shè)備的接收值，與發(fā)送數(shù)據(jù)完全匹配。TXD發(fā)送器的波形仿真結(jié)果如圖7所示。

4 結(jié)束語(yǔ)
本文詳細(xì)介紹了CPLD／FPGA多串口設(shè)計(jì)的內(nèi)部構(gòu)成，對(duì)各個(gè)模塊的工作原理和關(guān)鍵信號(hào)進(jìn)行了分析，給出了EDA軟件仿真形波和測(cè)試結(jié)果。通過(guò)對(duì)FPGA／CPLD多串口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，為嵌入式系統(tǒng)中串口的擴(kuò)展提供了一定的幫助。