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UART（通用異步收發(fā)器）是廣泛使用的串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。UART允許在串行鏈路上進(jìn)行全雙工的通信。專用的UART集成電路如8250，8251，NS16450等已經(jīng)相當(dāng)復(fù)雜，有些含有許多輔助的模塊（如FIF0），在實(shí)際應(yīng)用中，往往只需要用到UART的幾個(gè)基本功能，使用專用芯片會(huì)造成資源浪費(fèi)和成本提高，我們可以將所需要的UART功能集成到FPGA內(nèi)部，從而簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)電路，提高了可靠性、穩(wěn)定性和靈活性。
l 、UART簡(jiǎn)介
基本的UART通信只需要兩條信號(hào)線（RXD，TXD）就可以完成數(shù)據(jù)的相互通信，接收與發(fā)送是全雙工形式，其中TXD是UART發(fā)送端，RXD是UART接收端。UART的基本特點(diǎn)是：在信號(hào)線上有2種狀態(tài)，可分別用邏輯1（高電平）和邏輯0（低電平）來區(qū)分。在發(fā)送器空閑時(shí)，數(shù)據(jù)線應(yīng)保持在邏輯高電平狀態(tài)。發(fā)送器是通過發(fā)送起始位而開始一個(gè)字符傳送，起始位使數(shù)據(jù)線處于邏輯0狀態(tài)，提示接收器數(shù)據(jù)傳輸即將開始。數(shù)據(jù)位一般為8位一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)（也有6位、7位的情況），低位（LSB）在前，高位（MSB）在后。校驗(yàn)位一般用來判斷接收的數(shù)據(jù)位有無錯(cuò)誤，一般是奇偶校驗(yàn)。停止位在最后，用以標(biāo)志一個(gè)字符傳送的結(jié)束，它對(duì)應(yīng)于邏輯1狀態(tài)。UART數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。
2 、UART功能實(shí)現(xiàn)
基于FPGA的UART由3個(gè)子模塊組成：波特率發(fā)生器模塊；發(fā)送模塊；接收模塊。
2.1 波特率發(fā)生器模塊
波特率發(fā)生器實(shí)際上就是一個(gè)分頻器。波特率發(fā)生器的功能是產(chǎn)生和RS-232通信所采用的波特率同步的時(shí)鐘，這樣才能按照RS-232串行通信的時(shí)序要求進(jìn)行數(shù)據(jù)接收或發(fā)送。實(shí)現(xiàn)波特率時(shí)鐘的基本思路就是設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器工作在速度很高的系統(tǒng)時(shí)鐘下，當(dāng)計(jì)數(shù)到某數(shù)值時(shí)將輸出置為高電平，再計(jì)數(shù)一定數(shù)值后將輸出置為低電平，如此反復(fù)就能得到所需的波特率時(shí)鐘。例如FPGA的系統(tǒng)時(shí)鐘為50MHz，RS-232通信的波特率為9600，則波特率時(shí)鐘的每個(gè)周期約相當(dāng)于5208個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘的周期。假如要得到占空比為50%的波特率時(shí)鐘，只要使計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)到5208 50%=2604時(shí)將輸出置為高電平，之后在計(jì)數(shù)到5208時(shí)輸出低電平并重新計(jì)數(shù)，就能得到和9600波特率同步的時(shí)鐘。
波特率發(fā)生器VHDL實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵代碼如下：
entity baud is
Port （clk，resetb:in std_logic;
bclk:out std_logic）;
end baud;
architecture Behavioral of baud is
begin
process（clk，resetb）
variable cnt:integer;
begin
if resetb=‘1’ then cnt：=0; bclk《=‘0’; --復(fù)位
elsif rising_edge（clk） then
if cnt》=208 then cnt：=0; bclk《=‘1’; --設(shè)置分頻系數(shù)
else cnt：=cnt+1; bclk《=‘0’;
end if;
end if;
end process;
end Behavioral;
2.2 發(fā)送模塊
在發(fā)數(shù)據(jù)寄存器被寫入一幀數(shù)據(jù)之后，發(fā)送過程被啟動(dòng)。發(fā)送過程啟動(dòng)后，發(fā)送串行移位寄存器被啟動(dòng)。同時(shí)發(fā)送使能標(biāo)志被清空。首先發(fā)送的是起始位，同時(shí)啟動(dòng)發(fā)數(shù)據(jù)計(jì)算器，記錄發(fā)送數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。根據(jù)工作模式寄存器的要求，將要發(fā)送的一幀數(shù)據(jù)串行發(fā)送出去，如果需要校驗(yàn)，則產(chǎn)生校驗(yàn)位并發(fā)送出去。最后需要發(fā)送的是停止位，根據(jù)停止位個(gè)數(shù)的要求，發(fā)送停止位。最后設(shè)置發(fā)送完畢標(biāo)志位。圖2為發(fā)送模塊狀態(tài)機(jī)示意圖。
圖2 發(fā)送狀態(tài)機(jī)示意圖
發(fā)送模塊VHDL程序關(guān)鍵代碼如下：
architecture Behavioral of transfer is
type states is （x_idle，x_start，x_wait，x_shift，x_stop）; --定義各子狀態(tài)
signal state:states：=x_idle;
signal tcnt:integer：=0;
begin
process（bclkt，resett，xmit_cmd_p，txdbuf） --主控時(shí)序、組合進(jìn)程
variable xcnt16:std_logic_vector（4 downto 0）：=“00000”; --定義中間變量
variable xbitcnt:integer：=0;
variable txds:std_logic;
begin
if resett=‘1’ then state《=x_idle; txd_done《=‘0’; txds：=‘1’; --復(fù)位
elsif rising_edge（bclkt） then
case state is
when x_idle=》 --狀態(tài)1，等待數(shù)據(jù)幀發(fā)送命令
if xmit_cmd_p=‘1’ then state《=x_start; txd_done《=‘0’;
else state《=x_idle;
end if;
when x_start=》 --狀態(tài)2，發(fā)送信號(hào)至起始位
if xcnt16》=“01111” then state《=x_wait; xcnt16：=“00000”;
else xcnt16：=xcnt16+1; txds：=‘0’; state《=x_start;
end if;
when x_wait=》 --狀態(tài)3，等待狀態(tài)
if xcnt16》=“01110” then
if xbitcnt=framlent then state《=x_stop; xbitcnt：=0;
else state《=x_shift;
end if;
xcnt16：=“00000”;
else xcnt16：=xcnt16+1; state《=x_wait;
end if;
when x_shift=》txds：=txdbuf（xbitcnt）; xbitcnt：=xbitcnt+1; state《=x_wait; --狀態(tài)4，將待發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換
when x_stop=》 --狀態(tài)5，停止位發(fā)送狀態(tài)
if xcnt16》=“01111” then
if xmit_cmd_p=‘0’ then state《=x_idle; xcnt16：=“00000”;
else xcnt16：=xcnt16; state《=x_stop;
end if; txd_done《=‘1’;
else xcnt16：=xcnt16+1; txds：=‘1’; state《=x_stop;
end if;
when others=》state《=x_idle;
end case;
end if;
txd《=txds;
end process;
end Behavioral;
UART發(fā)送器的仿真波形如圖3所示。
2.3 接收模塊
在接收數(shù)據(jù)寄存器被讀出一幀數(shù)據(jù)或系統(tǒng)開始工作之后，接收過程被啟動(dòng)。接收過程啟動(dòng)之后，等待檢測(cè)起始位。檢測(cè)到有效的起始位后，根據(jù)高于數(shù)據(jù)速率的時(shí)鐘同步開始接收數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)位數(shù)的設(shè)定，計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)接收位數(shù)。一幀數(shù)據(jù)接收完畢之后，如果使用校驗(yàn)位，則檢測(cè)校驗(yàn)位，否則接收停止位。停止位接收完畢，則設(shè)定接收狀態(tài)寄存器中接收完畢寄存器，同時(shí)產(chǎn)生接收中斷，通知控制器讀取。接收狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)與發(fā)送部分類似，限于篇幅，在這里不再敘述。
在具體實(shí)現(xiàn)接收部分電路的時(shí)候，我們采用的是基于高速多倍率采樣的方法。比如將采樣速率設(shè)置在三倍信息速率上，就是以三倍于波特率的頻率對(duì)接收引腳Rx進(jìn)行采樣，這樣既保證檢測(cè)到“起始位”，又可以調(diào)整采樣的時(shí)間間隔。將有效數(shù)據(jù)位的采樣點(diǎn)控制在碼元的中間1/3處，最大限度地減少誤碼，提高接收的準(zhǔn)確性。圖4是該方法的示意圖，在圖中為了分析方便，將起始位和部分?jǐn)?shù)據(jù)位放大，把每個(gè)信息位分為三等份，每等份的時(shí)間寬度設(shè)為TS 。以三倍頻對(duì)信息位進(jìn)行采樣時(shí)，每個(gè)信息位都將可能被采樣到三次。當(dāng)處于空閑狀態(tài)并檢測(cè)起始位時(shí)，盡管每次具體的采樣點(diǎn)會(huì)在S0區(qū)。檢測(cè)到起始位低電平后，間隔4×TS時(shí)間，正好是第一位數(shù)據(jù)位的中間1/3部分S1區(qū)，即箭頭所指部位。此后的數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和停止位的采樣間隔都是3×TS，當(dāng)所有采樣點(diǎn)均落在碼元的中間1/3部分時(shí)，采樣數(shù)據(jù)最可靠。
3 、結(jié)束語
用FPGA實(shí)現(xiàn)UART功能，可以減小系統(tǒng)的面積，降低系統(tǒng)的功耗，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這種硬件軟件化的方法已經(jīng)成為當(dāng)今電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的主導(dǎo)趨勢(shì)。在實(shí)際應(yīng)用中，我們將文中實(shí)現(xiàn)的UART電路作為一個(gè)功能塊嵌入到一個(gè)FPGA實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中，成功地實(shí)現(xiàn)了和遠(yuǎn)端PC機(jī)間的異步串行通信。實(shí)驗(yàn)證明了該UART電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定。
本文作者創(chuàng)新觀點(diǎn)：本文將UART系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模塊化分解，使之適應(yīng)自頂向下的設(shè)計(jì)方法，并采用狀態(tài)機(jī)對(duì)核心電路部分進(jìn)行了描述，使控制邏輯直觀簡(jiǎn)單，大幅度提高了設(shè)計(jì)效率，特別是對(duì)接收電路采用了高速多倍率采樣法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，降低了誤碼率，使采樣數(shù)據(jù)更為可靠。
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