基于FPGA異步串行通信接口模塊設(shè)計與實現(xiàn)

基于FPGA異步串行通信接口模塊設(shè)計與實現(xiàn)摘要：在基于FPGA芯片的工程實踐中，經(jīng)常需要FPGA與上位機(jī)或其他處理器進(jìn)行通信，為此設(shè)計了用于短距離通信的UART接口模塊。該模塊的程序采用VHDL語言編寫，模塊的核心發(fā)送和接收子模塊均采用有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計，詳述了各子模塊的設(shè)計思路和方法，給出了它們的仿真時序圖。綜合實現(xiàn)后，將程序下載到FPGA芯片中，運行正確無誤。又經(jīng)長時間發(fā)送和接收測試，運行穩(wěn)定可靠。相對參數(shù)固定的設(shè)計，該UART的波特率、數(shù)據(jù)位寬、停止位寬、校驗位使能及校驗?zāi)Ｊ竭x擇均可以在線設(shè)置，為FPGA與其他設(shè)備的通信提供了一種可靠途徑，具備較強(qiáng)的實用價值。０引言通用異步收發(fā)器（ｕｎｉｖｅｒｓａｌａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｒｅｃｅｉｖｅｒｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ，ＵＡＲＴ）盡管自２０世紀(jì)７０年代就已出現(xiàn)，但因其簡單可靠，目前仍是一種使用廣泛的串行通信接口。各種微處理器，不論是單片機(jī)，還是ＤＳＰ、ＡＲＭ，ＵＡＲＴ都是基本外圍模塊。許多場合如系統(tǒng)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集都要用到串口通信［１－３］，甚至要用多個串口，如開發(fā)串口服務(wù)器［４－６］。此時通常采用專用芯片，如１６Ｃ５５４、ＶＫ３２２４等擴(kuò)展串口。專用芯片使用簡單，然而缺乏靈活性，同時專用芯片集成的串口數(shù)量也有限，有時需使用多個芯片才能滿足要求［５］，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，降低了可靠性。ＦＰＧＡ（ｆｉｅｌｄｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｇａｔｅａｒｒａｙ）作為一種可編程芯片，其資源豐富、工作效率高，常用于高速數(shù)據(jù)采集、算法的高速并行執(zhí)行［７－８］。用戶可通過硬件描述語言或電路原理圖，設(shè)計出個性化的高性能電路模塊，具有設(shè)計靈活，升級方便的優(yōu)點。在基于ＦＰＧＡ的工程實踐中，常需要其與串口設(shè)備通信，但在Ｘｉｌｉｎｘ現(xiàn)有的開發(fā)環(huán)境ＩＳＥ中沒有相關(guān)的ＩＰ核。目前也有使用ＦＰＧＡ設(shè)計ＵＡＲＴ的例子［９－１３］后，但有的參數(shù)固定，缺乏通用性。本文設(shè)計和實現(xiàn)了參數(shù)可在線配置的ＵＡＲＴ接口模塊，為ＦＰＧＡ與其他設(shè)備通信提供了一種可靠途徑。１ＵＡＲＴ串行通信簡介標(biāo)準(zhǔn)的ＲＳ２３２接口常采用ＤＢ－９連接器，其有２根數(shù)據(jù)線，６根控制線，１根信號地線。本文設(shè)計的ＵＡＲＴ符合ＲＳ２３２串行通信標(biāo)準(zhǔn)，但在實際中，ＲＳ２３２標(biāo)準(zhǔn)中諸多控制信號使用較少，故文中的ＵＡＲＴ只使用其中的３根信號線，即ＴＸＤ、ＲＸＤ和信號地，這也是很多微處理器ＵＡＲＴ模塊所采用的信號線。ＵＡＲＴ屬于異步通信接口，通信雙方需約定好波特率。國際上規(guī)定了一系列標(biāo)準(zhǔn)的波特率，如９６００ｂ／ｓ、１９２００ｂ／ｓ、１１５２００ｂ／ｓ等。ＵＡＲＴ每一數(shù)據(jù)幀，依次由起始位（１位）、數(shù)據(jù)位（５～８位），奇偶校驗位（可選的１位）以及停止位（１～２位）組成。其中數(shù)據(jù)位部分是從最低位先開始傳送的；奇偶校驗位是對１幀數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)部分和校驗位計算，使‘１’的個數(shù)滿足奇數(shù)個或偶數(shù)個。當(dāng)ＵＡＲＴ空閑時，收發(fā)引腳ＲＸＤ與ＴＸＤ均是高電平。一旦需要發(fā)送數(shù)據(jù)，則首先向ＴＸＤ引腳輸出低電平作為起始位，表示１幀數(shù)據(jù)的開始。而在接收數(shù)據(jù)時，檢測到起始位將啟動一次數(shù)據(jù)接收流程。２系統(tǒng)設(shè)計本文設(shè)計的ＵＡＲＴ通信接口主要由波特率產(chǎn)生模塊、發(fā)送模塊、接收模塊以及微處理器接口模塊組成。各模塊使用ＶＨＤＬ語言來表述，模塊之間的信號連接是通過頂層文件中的元件例化語句實現(xiàn)。整個設(shè)計的結(jié)構(gòu)框圖如圖１所示。設(shè)計和實現(xiàn)的ＵＡＲＴ通信模塊主要功能如下：

１）實現(xiàn)了串行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

２）停止位可設(shè)置（１位或２位）。３）可設(shè)置是否啟用奇偶校驗功能，以及校驗?zāi)Ｊ皆O(shè)置即選擇奇校驗還是偶校驗。４）波特率可配置。標(biāo)準(zhǔn)的波特率系列中從９６００～１１５２００ｂ／ｓ均可設(shè)置，同時還支持自定義的波特率。

５）設(shè)計了微處理器接口，通過接口可訪問ＵＡＲＴ內(nèi)部寄存器，配置ＵＡＲＴ參數(shù)，讀寫收發(fā)數(shù)據(jù)。該ＵＡＲＴ通信接口包含２個數(shù)據(jù)緩沖寄存器（ＴｘＨｏｌｄｅｒ和ＲｘＨｏｌｄｅｒ）、３個控制寄存器（ＵａｒｔＣｏｎ、ＵａｒｔＢａｕｄ及ＵａｒｔＩｎｔＥｎ）、３個狀態(tài)寄存器（ＵａｒｔＳｔａｔｅ、ＵａｒｔＥｒｒｏｒ、ＵａｒｔＩｎｔＰｅｎｄ）。考慮到需要在線更新ＵＡＲＴ參數(shù)，設(shè)計ＵａｒｔＣｏｎ與ＵａｒｔＢａｕｄ為雙緩沖寄存器。第一級緩沖用于存儲外部處理器寫入的配置數(shù)據(jù)，第二級緩沖即用于設(shè)置ＵＡＲＴ內(nèi)核。當(dāng)ＵＡＲＴ內(nèi)核空閑時，才將第二級緩沖內(nèi)容更新為第一級緩沖內(nèi)容，防止破壞收發(fā)中的數(shù)據(jù)。３ＵＡＲＴ各模塊的設(shè)計下面詳細(xì)介紹ＵＡＲＴ各模塊的設(shè)計思路和方法，同時給出了主要模塊的行為仿真時序圖。３．１波特率發(fā)生模塊波特率發(fā)生模塊的作用是產(chǎn)生ＵＡＲＴ工作所需的時鐘信號，其頻率定為實際波特率的１６倍。波特率發(fā)生模塊本質(zhì)是１個可預(yù)置初值的計數(shù)器，每當(dāng)計數(shù)達(dá)到預(yù)置值時輸出高電平，其余值輸出低電平。３．２發(fā)送模塊發(fā)送模塊按照用戶設(shè)置，將ＴｘＨｏｌｄｅｒ中的并行數(shù)據(jù)串行發(fā)送出去，其核心為１個有限狀態(tài)機(jī)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖２所示。１）Ｉｄｌｅ狀態(tài)

當(dāng)系統(tǒng)上電復(fù)位之后，發(fā)送狀態(tài)機(jī)即進(jìn)入此狀態(tài)。若不向發(fā)送緩沖器寫入數(shù)據(jù)，那么ＴｘＤａｔａＶａｌｉｄ為低電平，表示發(fā)送緩沖器空，狀態(tài)機(jī)始終在此狀態(tài)循環(huán)等待，ＴＸＤ引腳輸出高電平。２）Ｓｔａｒｔ狀態(tài)

一旦向發(fā)送緩沖器ＴｘＨｏｌｄｅｒ中寫入數(shù)據(jù)，ＴｘＤａｔａＶａｌｉｄ即變?yōu)楦唠娖?。狀態(tài)機(jī)由Ｉｄｌｅ狀態(tài)切換到Ｓｔａｒｔ狀態(tài)，ＴＸＤ輸出低電平，輸出起始位。３）Ｓｈｉｆｔ狀態(tài)

１位波特時間過后，狀態(tài)機(jī)無條件的轉(zhuǎn)換到Ｓｈｉｆｔ狀態(tài)，即使能發(fā)送移位寄存器，開始將并行數(shù)據(jù)逐位右移，實現(xiàn)并串轉(zhuǎn)換并輸出到ＴＸＤ。當(dāng)輸出的數(shù)據(jù)個數(shù)達(dá)到Ｄａｔａｂｉｔ設(shè)定的數(shù)據(jù)位寬時，便轉(zhuǎn)換到Ｐａｒｉｔｙ或者Ｓｔｏｐ＿１ｂｔ狀態(tài)，否則仍轉(zhuǎn)換到該狀態(tài)。４）Ｐａｒｉｔｙ狀態(tài)

若數(shù)據(jù)位部分發(fā)送完畢，且奇偶校驗使能位ＰａｒｉｔｙＥｎ＝‘１’時，則轉(zhuǎn)換到該狀態(tài)。該狀態(tài)下，根據(jù)已發(fā)送的數(shù)據(jù)和選擇的校驗?zāi)Ｊ剑l(fā)送校驗位。５）Ｓｔｏｐ＿１ｂｉｔ狀態(tài)

無論停止位為１位還是２位，都先轉(zhuǎn)換到Ｓｔｏｐ＿１ｂｉｔ狀態(tài)，先輸出１位停止位。由該狀態(tài)轉(zhuǎn)換下一狀態(tài)時，次態(tài)會有多種情況。若設(shè)置了ｓｔｏｐｂｉｔ為‘１’即選擇２位停止位時，次態(tài)為ｓｔｏｐ＿２ｂｉｔ；若ｓｔｏｐｂｉｔ為‘０’且發(fā)送緩沖器為空時，次態(tài)即轉(zhuǎn)換到ｉｄｌｅ狀態(tài)，否則轉(zhuǎn)換到ｓｔａｒｔ狀態(tài)開始新一輪的數(shù)據(jù)發(fā)送。６）Ｓｔｏｐ＿２ｂｉｔ狀態(tài)

若選擇２位停止位時，才會進(jìn)入此狀態(tài)。持續(xù)１個波特時間后，根據(jù)ＴｘＤａｔａＶａｌｉｄ狀態(tài)，進(jìn)入Ｉｄｌｅ狀態(tài)待命，或進(jìn)入Ｓｔａｒｔ狀態(tài)開始新１輪的數(shù)據(jù)發(fā)送。發(fā)送模塊的行為仿真時序圖如圖３所示。其ＵＡＲＴ參數(shù)設(shè)置為偶校驗、８位數(shù)據(jù)