基于FPGA實(shí)現(xiàn)異步串行通信

摘要：為了適應(yīng)全數(shù)字化自動(dòng)控制更加廣泛的應(yīng)用，采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)對異步串行通信控制器(UART)進(jìn)行多模塊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，使串口通信的集成度更高。對UART系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模塊化分解，可分為三個(gè)模塊：FPGA波特率發(fā)生器控制模塊、FPGA數(shù)據(jù)發(fā)送模塊及數(shù)據(jù)接收模塊。采用Venlog語言描述硬件功能，利用Xilinx公司的FPGA芯片，在Xilinx ISE Design Suite 13. 4環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計(jì)、編譯、綜合、下載。采用第三方仿真工具M(jìn)odelSim進(jìn)行模擬仿真。
關(guān)鍵字：FPGA；UART；多模塊；Verilog；Xilinx ISE

異步串行通信(UART)是一種廣泛應(yīng)用的串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，UART的要求是傳輸線少，可靠性高而且傳輸距離遠(yuǎn)。UART功能負(fù)責(zé)從總線采集數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成傳輸格式，然后發(fā)送到串口。也負(fù)責(zé)從串口接收數(shù)據(jù)，檢查和刪除附加的位，并傳送結(jié)果數(shù)據(jù)給總線。異步串行通信廣泛的應(yīng)用于軍事、工業(yè)、自動(dòng)控制、儀器、通信、醫(yī)藥、話音圖像處理等眾多領(lǐng)域?，F(xiàn)實(shí)應(yīng)用中多采用專用集成芯片實(shí)現(xiàn)UART功能，如8250、825 0A、16450、16C451、16C551等。但在實(shí)際應(yīng)用中，一般只需要UART的幾個(gè)主要功能，專用芯片成本比較大且造成資源的浪費(fèi)。近年來隨著電子設(shè)計(jì)技術(shù)的日趨成熟，特別是FPGA在集成度和速度上的大幅提高，可以用一個(gè)芯片構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。一個(gè)芯片就能完成處理計(jì)算、通信、控制等多功能，而且成本大幅度降低。根據(jù)以上考慮，本文采用FPGA實(shí)現(xiàn)UART功能。

1 UART通信原理
串行通信分為兩種類型：同步通信方式和異步通信方式。UART即通用異步串行通信收發(fā)器。UART的一幀數(shù)據(jù)由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位組成。數(shù)據(jù)在傳輸過程中是通過一個(gè)字符接一個(gè)字符進(jìn)行傳輸來實(shí)現(xiàn)通信的。每一幀的信息在傳送前傳輸線處于高電平狀態(tài)。在傳送一個(gè)字符信息的時(shí)候，每一個(gè)字符的接收是靠起始位來同步的，字符的前面是一位起始位，首先發(fā)送起始位為低電平，一般用下降沿通知收方傳輸開始，然后發(fā)送起始位之后的數(shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)位的傳送先低位后高位，字符本身由5～8位數(shù)據(jù)位組成。

數(shù)據(jù)位后面是奇偶校驗(yàn)位，奇偶校驗(yàn)位后的是停止位，標(biāo)志著一幀字符結(jié)束。停止位后為高電平，為空閑位，并為下一個(gè)字符的開始傳送做準(zhǔn)備。在發(fā)送、接收數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)的幀與幀之間如果有間隙，就要在停止位之后附加空閑位，停止位后面是不定長度的空閑位。停止位和空閑位都規(guī)定高電平，這樣可以保證起始位開始處有一個(gè)下降沿。如圖1所示。
1. 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與硬件實(shí)現(xiàn)
異步通信允許在串行鏈路上進(jìn)行全雙工的通信。本文把異步通信電路作為一個(gè)整體來實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)接收經(jīng)過MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后經(jīng)FPGA串口模塊的RXD端輸入，由FPGA進(jìn)行串／并轉(zhuǎn)換后，8位有效數(shù)據(jù)進(jìn)入總線，再進(jìn)入處理芯片。數(shù)據(jù)發(fā)送經(jīng)數(shù)據(jù)處理后經(jīng)由總線進(jìn)入FPGA串口模塊，8位有效數(shù)據(jù)在FPGA中進(jìn)行并行轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)后由TXD端輸出到MAX232的12管腳，在MAX232種經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后由TXD端輸出，系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

幀格式采用1位開始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，波特率為115 200，根據(jù)采用的幀格式，需要發(fā)送的數(shù)據(jù)為10位(1位開始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位)，在發(fā)送完這10位后，就應(yīng)該停止發(fā)送，并使發(fā)送端電平處于邏輯1，然后等候下次的發(fā)送。