與單片機實現(xiàn)串行通信

1、題目名稱：FPGA與單片機實現(xiàn)串行通信目錄1設(shè)計任務(wù)及內(nèi)容12設(shè)計方案13系統(tǒng)硬件設(shè)計13.1單片機串行通信設(shè)計23.2 FPGA串行通信34系統(tǒng)軟件設(shè)計54.1 FPGA單元設(shè)計 54.2串行通信 MAX3232 65.系統(tǒng)調(diào)試106課程設(shè)計總結(jié)10附錄：111設(shè)計任務(wù)及內(nèi)容要求實現(xiàn)FPGA與單片的串行通信,熟悉單片機和VHDL語言的編寫，在設(shè)計 過程中對單片機與FPGA有進一步理解，能夠?qū)崿F(xiàn)串行通信。2設(shè)計方案整個設(shè)計采用模塊化的設(shè)計思想，可分為四個模塊：FPG數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，F(xiàn)PGA 波特率發(fā)生控制模塊，F(xiàn)PG總體接口模塊以及單片機數(shù)據(jù)接收模塊。 在通信過程 中完全遵守RS23協(xié)議，并利用

2、VHD語言實現(xiàn)FPGAf單片機的串口異步通信電 路。本設(shè)計采用II位幀格式異步通信方式，一位起始位、一位停止位、一位奇偶 校驗位、8位數(shù)據(jù)位，基于有限狀態(tài)機原理進行 FPG設(shè)計。設(shè)計方案框圖如下：FPGA3系統(tǒng)硬件設(shè)計從機圖2工作模式3.1單片機串行通信設(shè)計單片機與FPG串行通信可采用單片機的SPI(串行外設(shè)接口)方式。相對于 UARTSPI 更簡單，速度更快。SPI 共四條線。MOSI(Master Out Slave In). MISO SCK(Serial Clock) , SS(Slave Select)。圖 1為SPI T作時序。當單片機向 FPGA 傳輸命令或數(shù)據(jù)時，應(yīng)用SPI的四

3、種模式中的SPIO模式。當片選SS拉低。然后在 每個時鐘(SCK)上升沿送出數(shù)據(jù)。將片選信號SS與移位寄存器使能端(En)相接， MOS與移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端(SI)相接，SCI同時為移位寄存器提供時鐘信號。 在SS信號為低電平時，移位寄存器開始工作，在每個時鐘上升沿將接收到的數(shù)據(jù) 左移一位，等全部接受完畢，將SS置一 I”，移位寄存器工作完畢，同時為觸發(fā) 器提供時鐘，使移位寄存器接收到的數(shù)據(jù)并行輸出。當單片機從FPG讀取數(shù)據(jù)時，向FPG發(fā)送讀使能信號RE(可用任意空閑I /0 口)。在每個時鐘(SCK)上升沿.FPG送出一位串行數(shù)據(jù)，單片機通過MISO取數(shù) 據(jù)。借助VHD硬件描述語言和EDA

4、ff發(fā)工具可方便的實現(xiàn)該系統(tǒng)。如下圖所示：P0.142P0.241POJ40P0 439P0.5羽P0.«J7P0.7羽KO24P3.1P2.22627 一P2.428P2.5対P27JIVD叩44R18.jI?:UP蟲牯32ALE3iMCU'ZKZI10POO43o 1 3 4 3 6 7 O.QO'.O.GO.O.G pppppppp0 12 3 4 5 6 7 工工工d2.!2_工 p p p p p p _p pIMO1M.1D<T2IMJXT.4L2XTAL1勺<®>LEPR£-WGPLCX3ph4pi?"3&

5、quot;Pl 3CPl .4F5&Pl 69Pl 711pa.oPM14P3.21SP3316P?.417P3.51£W酋15"Pj.723P4.Q54P4.1P4.2TxDPJlE<TDP3 2 r<flps_3TOP3.4 7：P5 5P：.O21Q I宀亠J4豈亠舌7 1A- B M * T* i 1 -TL» d-p-pppfpp2011.05!IZZI1C34圖一：單片機電路3.2 FPGA串行通信由于FPG具有豐富的引腳資源，且EP1C3T100C8的核電壓是3.3 V, STC89LE52 的輸出電壓也是3. 3 V，所以任選3

6、064A四個I /O與單片機4個I /O口連接即可， 若連接在單片機的Po口時需要加上拉電阻。在這里將 SS(CS)、SCK SDI、SDO分 別如圖所示連接。:-乂：Q-二二二 HACLO-匚WO1-二二二.-A - - 2 - -呂 go_(djg 工 UM1JIAa2-二-二亠=1602亠 Ego_Luwi.-: rxlcnx二FH<O1o-IOI loTioT ICE-IU5IUT7 IU-T rTIZT7 TUTT ionloIOIOIOIOIOIOIOgIOIOIOIOot三二三.s2-.- E>dl2 負專A.ol -£$od-r-H-t Jd 口 .otJ

7、lnrxJ- di:色 g 01rOIOCP & -£.二-二S& &苻9801-口-gC-1筈lzg«NE 口 Q30% 擔 A ”01HKTCHGfxH盤一3 5 !圖二：FPG電路4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 FPGA單元設(shè)計FPG的設(shè)計是通信網(wǎng)絡(luò)的核心部分。依據(jù)功能要求，F(xiàn)PG內(nèi)部劃分成四大功 能模塊：SRA控制器、發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖模塊、16個UAR模塊、接收數(shù)據(jù)緩沖模塊。 發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖模塊劃分成16個RA區(qū)，每個RA區(qū)分別連接1個UART當發(fā)送緩沖 模塊接收到主單片機下發(fā)的控制數(shù)據(jù)后， 啟動UAR將數(shù)據(jù)發(fā)送至從單片機。接收 緩沖區(qū)同樣分為16個 RA區(qū)

8、，發(fā)送控制數(shù)據(jù)后，UAR周期性地向從單片機發(fā)送狀 態(tài)查詢命令，從單片機將最新狀態(tài)發(fā)送至UAR模塊，UAR模塊將數(shù)據(jù)存入接收緩 沖模塊相應(yīng)的RA區(qū)。如圖3所示。SR.AM發(fā)送丿 接收iS沖 模塊16個 UART模塊匪J卜5內(nèi)訂曲綽按入世用fpg內(nèi)部共有16對讀/寫和數(shù)據(jù)總線，分別連 接UAR和相應(yīng)的發(fā)送緩沖區(qū)RA及接收緩沖區(qū)RAMFPG內(nèi)部模塊采用圖3 FPG內(nèi)部功能模塊示意圖自頂向下的設(shè)計方法，將復(fù)雜系統(tǒng)劃分為簡單系統(tǒng)，然后通過邏輯和接口設(shè)計實現(xiàn)各個模塊功能。SRA控制器用 于FPG和C8O51FO20勺接口，負責內(nèi)部RA啲讀寫控制。UAR負責接收從單片機 上傳的串行信號，將其并行化后存入接收

9、數(shù)據(jù)緩沖 RAM另外也負責將發(fā)送緩沖 RAI中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合RS23協(xié)議規(guī)范的串行信號發(fā)送給從單片機。FPG內(nèi)部系統(tǒng)采用同步有限狀態(tài)機(FSM)的設(shè)計方法實現(xiàn)，F(xiàn)S碩責調(diào)配各功 能模塊之間的協(xié)作。狀態(tài)機米用獨熱(one hot)編碼，使電路的可靠性和速度有 顯著的提高。系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4所示。N地址？命令井開發(fā)送 兄牛蠶卉向命令 屮斷關(guān)團接段到 正確JR據(jù)?'發(fā)送裂、 沖區(qū)RAM 按收鰲據(jù)j計時50m5搖收繩神JxRAM計時200 ms計時 30nw接收:緩沖區(qū) IAM<- "FF圖4有限址態(tài)機狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖4.2串行通信 MAX3232主單片機和上位機的通信速率及 F

10、PGA和從單片機的通信速率均設(shè)置為 38. 4 Kbps，可以更精確的控制主單片機與各個從單片機之間的通信時間。 通信指令由 報頭、設(shè)備類型、設(shè)備號、命令號、命令數(shù)據(jù)、校驗等字段組成。報頭用于通知單片機開始串行通信。設(shè)備類型和設(shè)備號用于將指令正確傳達到相 應(yīng)的設(shè)備，命令號用于通知單片機指令，命令數(shù)據(jù)用于通知單片機具體的功能， 校驗則采用CRC校驗以保證通信的準確性。寫入控制命令號為 00H讀取命令號為01H,讀取指令命令數(shù)據(jù)為0字節(jié)。通信指令的幀格式如下:報頭1字*1 ? &1 TV1字VN字V1卞W果接收正確，返回00H,若錯誤則返回01Ho返回幀格式為:設(shè)備類野設(shè)備號命令號1字描1

11、字&1字打1字節(jié)丨字冇p報頭:設(shè)備號1宇節(jié)】字菸】t 1V接收后單片機返同幀格式為:郵頭1設(shè)備類型命令號設(shè)備狀憲i字|字借1字節(jié)1字節(jié)¥字卄】了卩系統(tǒng)發(fā)送、接受程序流程圖如下:FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束仿真圖如下: Va<ue: IFlame:300.0ns500.0nsstartresetH 33553365400.0ns圖中Din寫入值為3355H波特率為2400Hz Start信號始終置邏輯1,即 隨時都能發(fā)送數(shù)據(jù)。Reset信號邏輯1時復(fù)位，邏輯0時電路開始工作。THR是 數(shù)據(jù)寄存器，文件頭、數(shù)據(jù)長度以及數(shù)據(jù)位都先寄存到 THR中，Len是數(shù)據(jù)長度， TSR是低8位數(shù)

12、據(jù)幀寄存器，TSR1是高8位數(shù)據(jù)幀寄存器。數(shù)據(jù)長度 Len定為 02H,發(fā)送時先發(fā)送低8位55H,后發(fā)送高8位33H, 共發(fā)送兩遍。發(fā)送的數(shù)據(jù) 格式說明：當發(fā)送55H時，其二進制為01010101，則發(fā)送的數(shù)據(jù)的二進制數(shù)為 00101010111（ 1位開始位+8位數(shù)據(jù)位+1位奇校驗位+1位停止位）。單片機部分先對FPGA發(fā)送過來的文件頭進行確認，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，對串口控制寄存器SCON口波特率 控制寄存器PCON勺設(shè)置即可實現(xiàn)。FPGA接收數(shù)據(jù)仿真圖：mdlrst恥A1EiwttuftoAdwre-rAr鬢4HQOHOCI串行數(shù)據(jù)幀和接收時鐘

13、是異步的，發(fā)送來的數(shù)據(jù)由邏輯1變?yōu)檫壿?可以視 為一個數(shù)據(jù)幀的開始。接收器先要捕捉起始位，確定 rxd輸入由1到0，邏輯0 要8個CLK16時鐘周期，才是正常的起始位，然后在每隔 16個CLK16時鐘周期 采樣接收數(shù)據(jù)，移位輸入接收移位寄存器rsr，最后輸出數(shù)據(jù)dout。還要輸出一 個數(shù)據(jù)接收標志信號標志數(shù)據(jù)接收完。5.系統(tǒng)調(diào)試首先，檢查電路板上各個元器件的工作電壓正確， 電路板能正常工作；其次, 將調(diào)試的部分小程序下載到電路板上，檢測 R232能正常工作；再次，將單片機 發(fā)送，F(xiàn)PGA接受的子程序下入電路板，觀察現(xiàn)象正確，將 FPGA發(fā)送，單片機接 受的子程序下入電路板，觀察現(xiàn)象；最后，將總

14、程序下載到電路板中，觀察現(xiàn)象 正確。6課程設(shè)計總結(jié)此次課程設(shè)計，讓我們有機會把課本中學到的理論應(yīng)用到實際中去，理論聯(lián)系實際，在更好的掌握了書本中的知識的同時加強了動手能力，在調(diào)試工程中遇到了許多問題，這些問題是在書中學不到的，只有通過查閱大量資料，咨詢老師 和同學，我們才一步步排除電路錯誤，在調(diào)試排錯的同時收獲了很多單片機實際 應(yīng)用中的知識。這次實習讓我們受益匪淺，無論從知識上還是其他的各個方面。 上課的時候的學習從來沒有見過真正的單片機， 只是從理論的角度去理解枯燥乏 味。但在實習中見過甚至使用了單片機及其系統(tǒng)，能夠理論聯(lián)系實際的學習，開闊了眼界，提高了單片機知識的理解和水平。 這幾周的實習

15、還是比較辛苦的，程 序里面的好多內(nèi)容不懂，自我感覺是單片機和 FPGA我們所學的內(nèi)容還不足以編 出這兩個程序，但是只好硬著頭皮去看去理解。但在學習過程中也充滿了樂趣， 當看懂了程序的一些語句，畫出了要求的設(shè)計圖，那我喜悅那種成就感油然而生。 在這次課程設(shè)計中又讓我體會到了集體的力量， 當遇到不會或是設(shè)計不出來的地方，我們就會向老師或者是同學請教。 團結(jié)就是力量，無論在現(xiàn)在的學習中還是 在以后的工作中，團結(jié)都是至關(guān)重要的，有了團結(jié)會有更多的理念、更多的思維、 更多的情感。這次課設(shè)是對我的學習態(tài)度的一次檢驗。對于這次課程設(shè)計，我的第一大心得體會就是作為一名工程技術(shù)人員，要求 具備的首要素質(zhì)絕對應(yīng)該

16、是嚴謹。我們這次實習所遇到的多半問題多數(shù)都是由于 我們不夠嚴謹。我們認識到，無論做什么事情，只要你足夠堅強，有足夠的毅力 與決心，有足夠的挑戰(zhàn)困難的勇氣，就沒有什么辦不到的。通過這次單片機實習， 我不僅加深了對單片機理論的理解， 將理論很好地應(yīng)用到實際當中去，而且我還 學會了如何去培養(yǎng)我們的創(chuàng)新精神， 從而不斷地戰(zhàn)勝自己，超越自己。創(chuàng)新可以 是在原有的基礎(chǔ)上進行改進，使之功能不斷完善，成為真己的東西。單片機和FPGA是電子信息工程的一門重要專業(yè)課，學好單片機和 EDA就 可以憑這個技術(shù)找一個好工作。為即將畢業(yè)的我們在面試時提供了一些實習經(jīng) 驗。我們要在今后的學習中進一步學習單片機知識， 培養(yǎng)對

17、其的興趣，為將來工 作打好基礎(chǔ)，充實度過大學生活。附錄：Library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.stdo gic_arith.all;use ieee.std_logic_ un sig ned.all; en tity atel2_bi n is的波特率時鐘發(fā)送的數(shù)據(jù)port( txclk: in std_logic; -2400Hz reset: in std_logic;- 復(fù)位信號din: in stdo gic_vector(15 dow nto 0);- start: in std_logic;-允許傳輸信號sout: o

18、ut std_logic - 串行輸出端口 );end atel2_b in;architecture behav of atel2_bi n is sig nal thr,le n: stdo gic_vector(15 dow nto 0); sig nal txcnt_r: stdo gic_vector(2 dow nto 0);sig nal sout1: std_logic;sig nal cou: in teger:=0;sig nal oddb:std_logic;type s is(start1,start2,shift1,shift2,odd1,odd2,stop1,sto

19、p2);sig nal state:s:=start1;beg inprocess(txclk)beg inif risin g_edge(txclk) the nif cou<3 then thr<="0000000001010101"- 發(fā)送的文件頭elsif cou=3 the nthr<="0000000000000010"-發(fā)送的文件長度elsif (cou>3 and state=stop2) the n thr<=di n;-發(fā)送的數(shù)據(jù)end if; end if;end process;process(res

20、et,txclk)variable tsr,tsr1,oddb1,oddb2: std_logic_vector(7 dow nto 0);beg inif reset='1' the ntxcnt_r<=(others=>'0');sout1<='1'state<=start1;cou<=0;elsif txclk'eve nt and txclk='1' the ncase state iswhe n start1=>if start='1' thenif cou=3

21、 the nlen<=thr;end if;tsr:=thr(7 dow nto 0);oddb1:=thr(7 dow nto 0);sout1<='0'- 起始位txcnt_r<=(others=>'0');state<=shift1;elsestate<=start1;end if;whe n shift1=>oddb<=oddb1 xor oddb1 (6) xor oddb1 (5) xor oddb1 xor oddb1 (3) xor oddb1 (2) xor oddb1(1) xor oddb1(

22、0);sout1<=tsr(0);- 數(shù)據(jù)位tsr(6 dow nto 0):=tsr(7 dow nto 1);tsr:='0'txcn t_r<=txc nt_r 1;if (txc nt_r=7) the nstate<=odd1;cou<=cou 1;end if;when odd1=> -奇校驗位if oddb='1' thensout1<='0'state<=stop1;elsesout1<='1'state<=stop1;end if;whe n stop1=&g

23、t;sout1<='1'- 停止位if cou<4 the nstate<=start1;elsestate<=start2;end if;whe n start2=>tsr1:=thr(15 dow nto 8);oddb2:=thr(15 dow nto 8);sout1<='0'- 起始位txcnt_r<=(others=>'0');state<=shift2;whe n shift2=>oddb<=oddb2 xor oddb2 (6) xor oddb2 (5) xor oddb2 xor oddb2 (3) xor oddb2 (2) xor oddb2(1) xor oddb