由于FPGA的功能日益強(qiáng)大，開發(fā)周期短、可重復(fù)編程等優(yōu)點(diǎn)也越來越明顯，可以在FPGA芯片上集成UART功能模塊，從而簡化電路，縮小PCB面積，提高系統(tǒng)可靠性。此外，F(xiàn)PGA的設(shè)計(jì)具有很高的靈活性，可以方便地進(jìn)行升級和移植。
設(shè)計(jì)背景

通用異步收發(fā)器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)可以和各種標(biāo)準(zhǔn)串行接口，如RS 232和RS 485等進(jìn)行全雙工異步通信，具有傳輸距離遠(yuǎn)、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。一般UART由專用芯片如8250，16450來實(shí)現(xiàn)，但專用芯片引腳都較多，內(nèi)含許多輔助功能，在實(shí)際使用時(shí)往往只需要用到UART的基本功能，使用專用芯片會造成資源浪費(fèi)和成本提高。
一般而言UART和外界通信只需要兩條信號線RXD和TXD，其中RXD是UART的接收端，TXD是UART的發(fā)送端，接收與發(fā)送是全雙工形式。由于可編程邏輯器件技術(shù)的快速發(fā)展，F(xiàn)PGA的功能日益強(qiáng)大，其開發(fā)周期短、可重復(fù)編程的優(yōu)點(diǎn)也越來越明顯，在FPGA芯片上集成UART功能模塊并和其他模塊組合可以很方便地實(shí)現(xiàn)一個能與其他設(shè)備進(jìn)行串行通信的片上系統(tǒng)。
設(shè)計(jì)要求
? ? ? ?本接口作為一個關(guān)于內(nèi)容保護(hù)系統(tǒng)的電路板的一部分，主要用于和計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，也可與其他帶UART接口的電路板進(jìn)行通信。對數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高，傳輸距離也不要求很長，但傳輸數(shù)據(jù)要求準(zhǔn)確可靠。該接口可用來監(jiān)控電路內(nèi)部狀態(tài)，將FPGA內(nèi)部信息通過串口輸出至計(jì)算機(jī)，以達(dá)到輔助調(diào)試電路的目的。另外，電路板上的FPGA外掛有串行Flash，可通過串口對Flash進(jìn)行調(diào)試，將Flash中的數(shù)據(jù)輸出至計(jì)算機(jī)，并可將數(shù)據(jù)通過串口寫入Flash中。簡而言之，該接口是作為計(jì)算機(jī)與電路板的一個可靠的雙向數(shù)據(jù)傳輸通道。
UART的實(shí)現(xiàn)原理
UART是異步通信方式，通信的發(fā)送方和接收方各自有獨(dú)立的時(shí)鐘，傳輸?shù)乃俾视呻p方約定。本設(shè)計(jì)采用最常用的每秒9600波特的傳輸速度。
UART的通信協(xié)議十分簡單，以低電平作為起始位，高電平作為停止位，中間可傳輸5～8比特?cái)?shù)據(jù)和1比特奇偶校驗(yàn)位，奇偶校驗(yàn)位的有無和數(shù)據(jù)比特的長度由通信雙方約定。一幀數(shù)據(jù)傳輸完畢后可以繼續(xù)傳輸下一幀數(shù)據(jù)，也可以繼續(xù)保持為高電平，兩幀之間保持高電平，持續(xù)時(shí)間可以任意長。本方案采用不添加校驗(yàn)位的方法，以提高數(shù)據(jù)傳輸效率。發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)先發(fā)一低電平，然后發(fā)送8比特?cái)?shù)據(jù)，之后馬上把信號拉高，從而完成一幀數(shù)據(jù)傳送。接收端接收到低電平時(shí)開始計(jì)數(shù)，然后接收8比特信息位后如果檢測到高電平即認(rèn)為已接收完一幀數(shù)據(jù)，繼續(xù)等待下一幀起始信號低電平的到來，若接收完8比特?cái)?shù)據(jù)后沒有檢測到高電平則認(rèn)為這不是一幀有效數(shù)據(jù)，將其丟棄，繼續(xù)等待起始信號。時(shí)序關(guān)系如圖1所示，收發(fā)可同時(shí)進(jìn)行，互不干擾。

圖1 RS-232接口的工作時(shí)序

硬件電路原理圖及說明
一個完整的RS-232接口是一個25針的D型插頭座，25針的連接器實(shí)際上只有9根連接線，所以就產(chǎn)生了一個簡化的9針D型RS-232插頭座，常用的就是一個9針的D型插頭座。通常只用到一根發(fā)送信號線、一根接收信號線和一條地線，其余的振鈴指示、請求傳送、清除傳送、準(zhǔn)備就緒及數(shù)據(jù)載波檢測等線可以做懸空處理。
RS-232標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定邏輯1的電平為 -15～-3V，邏輯0的電平為+3～+15V。CMOS電路的電平范圍一般是從0V到電源電壓，F(xiàn)PGA的I/O輸入輸出電壓通常為0～3.3V，為了與FPGA 供電電壓保持一致，必須加電平轉(zhuǎn)換芯片。選用Maxim公司的MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片，電路原理圖如圖2所示。
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圖2 RS-232接口電路

連線采用最簡單的3 線制連接模式，即只需要兩根信號線和一根地線來完成數(shù)據(jù)收發(fā)。而FPGA 只需要選擇兩個普通I/O引腳分別與接口芯片MAX3232 對應(yīng)引腳T2IN、R2OUT相連即可完成將串口電平轉(zhuǎn)換為設(shè)備電路板的工作電平，即實(shí)現(xiàn)RS-232電平和TTL/ CMOS 電平的轉(zhuǎn)換。一個MAX3232芯片可以支持兩個串口的電平變換，我們選擇其中的一組接口，圖中的4個電阻可以省去。在電路中加入了0Ω的跳線電阻，是為了在這組接口出故障時(shí)可以方便地跳線，使用另一組接口。
軟件設(shè)計(jì)
異步收發(fā)器由波特率發(fā)生器、UART接收器和UART發(fā)送器三個模塊構(gòu)成。采用的是每秒9600波特的傳輸速度，而系統(tǒng)提供的時(shí)鐘是 10MHz，這就要求進(jìn)行速率變換。在實(shí)際中由于電路中存在干擾等因素，在數(shù)據(jù)邊緣進(jìn)行采樣容易發(fā)生誤判，只有在數(shù)據(jù)的中央進(jìn)行采樣出錯的概率才能降到最低，所以使用16倍于波特率的時(shí)鐘，即9600×16Hz=15600Hz。因此波特率發(fā)生器輸出的時(shí)鐘頻率應(yīng)為15600Hz，UART 收發(fā)的每一個數(shù)據(jù)寬度都是波特率發(fā)生器輸出的時(shí)鐘周期的16倍，采用Altera公司芯片內(nèi)部自帶的鎖相環(huán)可以方便地實(shí)現(xiàn)。UART接收器和UART發(fā)送器均采用Verilog語言編程實(shí)現(xiàn)。
通常使用的數(shù)據(jù)多為并行數(shù)據(jù)，為了方便與系統(tǒng)中其他電路互連，UART接收器的輸出數(shù)據(jù)和UART發(fā)送器的輸入數(shù)據(jù)均為8比特并行數(shù)據(jù)。 UART接收器將串行數(shù)據(jù)接收下來并將其轉(zhuǎn)化為并行數(shù)據(jù)送出，UART發(fā)送器將輸入的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)并按照UART的幀格式輸出。

圖3 UART接收器符號圖

圖3為UART接收器的符號圖，其中rst為全局復(fù)位信號，rxd為串行數(shù)據(jù)輸入端，baudClk16x為輸入時(shí)鐘，dataOut[70] 為并行數(shù)據(jù)輸出口，irq為輸出數(shù)據(jù)的指示信號。首先接收器等待起始位的到來，在每個時(shí)鐘上升沿檢測輸入數(shù)據(jù)是否為低電平，若檢測到低電平，則開始計(jì)數(shù)，如果連續(xù)8個時(shí)鐘內(nèi)輸入數(shù)據(jù)均為低電平，則認(rèn)為起始信號有效，其中若有一次采樣得到的為高電平則認(rèn)為起始信號無效，返回初始狀態(tài)重新等待起始信號的到來。認(rèn)定起始信號有效后，每隔16個時(shí)鐘采樣一次，這樣就可以保證每次都在數(shù)據(jù)的中點(diǎn)出采樣，將采樣結(jié)果送入8比特的移位寄存器，8比特?cái)?shù)據(jù)采樣結(jié)束后，間隔 16個時(shí)鐘采樣停止位。如果采得的是高電平，則認(rèn)為這幀數(shù)據(jù)有效，將移位寄存器中的數(shù)據(jù)并行送出同時(shí)將輸出數(shù)據(jù)的指示信號置高，然后接收器復(fù)位，重新等待下一幀的到來;若采得的為低電平，則認(rèn)為這不是一幀有效數(shù)據(jù)，不將移位寄存器中的數(shù)據(jù)輸出，直接返回初始狀態(tài)。
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圖4 UART發(fā)送器符號圖

圖4 為UART發(fā)送器的符號圖，其中flag為輸入數(shù)據(jù)指示信號，rst為全局復(fù)位信號，clkin為輸入時(shí)鐘，din[70]為并行數(shù)據(jù)輸入端，tdo為串行數(shù)據(jù)輸出端。接收器在每個時(shí)鐘的上升沿檢測輸入數(shù)據(jù)指示信號，若檢測到其為高電平，則將并行輸入數(shù)據(jù)鎖存入內(nèi)部的8比特移位寄存器，接下來先送出一個低電平并保持16個時(shí)鐘，然后每隔16個時(shí)鐘將移位寄存器中的數(shù)據(jù)移出一位，最后送出高電平，返回初始狀態(tài)。
系統(tǒng)調(diào)試
UART接收器和發(fā)送器可根據(jù)實(shí)際需要單獨(dú)使用，但在調(diào)試時(shí)為了方便，將兩者對接起來，如圖5所示。UART接收器的輸出與UART發(fā)送器的輸入相連，復(fù)位信號和時(shí)鐘信號共用，時(shí)鐘信號由片外晶振提供，輸入FPGA后通過鎖相環(huán)轉(zhuǎn)換為需要的頻率。
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圖5 調(diào)試系統(tǒng)模塊圖

串口的調(diào)試需要借助于串口調(diào)試工具，可以用VC編程實(shí)現(xiàn)，也可以直接使用網(wǎng)上已有的調(diào)試工具。直接選用網(wǎng)上的串口調(diào)試助手進(jìn)行了測試，將數(shù)據(jù)從計(jì)算機(jī)送出，經(jīng)過UART接口接收后再送回計(jì)算機(jī)。經(jīng)過長達(dá)數(shù)十分鐘的不間斷接收和發(fā)送后，將送回計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，多次測試均沒有發(fā)生任何錯誤，這充分說明了這一UART接口程序具有高度的可靠性和穩(wěn)定性，可以滿足設(shè)計(jì)要求。
結(jié)束語
基于FPGA設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)UART，可以用片上很少的邏輯單元實(shí)現(xiàn)UART的基本功能。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，能有效減少系統(tǒng)的PCB面積，降低系統(tǒng)的功耗，提高設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和可靠性，并可方便地進(jìn)行系統(tǒng)升級和移植。
本設(shè)計(jì)具有較大的靈活性，通過調(diào)整波特率發(fā)生器的分頻參數(shù)，就可以使其工作在不同的頻率。采用16倍波特率的采樣時(shí)鐘，可以實(shí)時(shí)有效探測數(shù)據(jù)的起始位，并可對數(shù)據(jù)位進(jìn)行“對準(zhǔn)”中央采樣，保證了所采樣數(shù)據(jù)的正確性。該模塊可以作為一個完整的IP核移植進(jìn)各種FPGA中，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可嵌入到其他系統(tǒng)中，很容易實(shí)現(xiàn)和遠(yuǎn)端上位機(jī)的異步通信。
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