基于CPLD／FPGA的多串口設計與實現(xiàn)

摘要：在工業(yè)控制中如何提高一對多的串口通訊可靠性和系統(tǒng)的集成性成為研究熱點。本文利用嵌入式技術，提出基于CPLD／FPGA的多串口擴展設計方案。實現(xiàn)并行口到多個全雙工異步通訊口之間的轉換，并根據(jù)嵌入式系統(tǒng)實時性的需要，在每個UART接收器中開辟了8個接收緩沖單元，實現(xiàn)高速嵌入式CPU與RS232通訊設備之間的速度匹配，同時，串行口波特率等參數(shù)可根據(jù)需要進行設置。通過實踐證明，本文設計的基于CPLD／FPGA的多串口完全符合工業(yè)控制中一對多串口通訊的要求。
關鍵詞：CPLD／FPGA；多串口擴展；全雙工；異步通信；嵌入式系統(tǒng)

在工業(yè)控制中，設備的通訊與控制主要采用簡潔高效的串口方式進行。工控機通過PCI擴展卡方式進行串口的擴展，或采用電路復雜的擴展芯片實現(xiàn)串口擴展。隨著嵌入式技術發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應用逐步代替了成本高昂的工業(yè)控制計算機。為了簡化硬件電路的設計，降低系統(tǒng)成本，本文提出了一種基于CPLD／FPGA多串口擴展的方案，實現(xiàn)多個外設串口的擴展和管理，同時解決一對多的串口通訊可靠性問題，滿足嵌入式系統(tǒng)串口擴展的需求。

1 系統(tǒng)結構
本設計以CPLD／FPGA芯片為核心，在芯片內部通過設計、編程實現(xiàn)并行總線接口到多個串行口的擴展。設計的多串口擴展包括并行總線接口、4路接收緩沖器、4路發(fā)送器、波特率發(fā)生器和UART接口。為實現(xiàn)高速嵌入式CPU與RS232通訊設備之間的速度匹配，充分利用嵌入式系統(tǒng)的實時性，在每個接收緩沖器中開辟了8個接收緩沖單元。在實際應用中，可根據(jù)嵌入式系統(tǒng)擴展的需要，靈活增減串口數(shù)量以及接收緩沖單元個數(shù)。在通訊過程，波特率發(fā)生器的時鐘信號由外部有源晶振提供，選擇合適的晶振頻率即可獲得高性能的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)結構如圖1所示。

2 功能模塊設計
2．1 接收緩沖模塊
2．1．1 接收緩沖模塊構架
在設計過程中，為便于串口擴展功能的實現(xiàn)，將功能相似的部件進行了集成。本設計以4路UART接口擴展為例，接收緩沖部分包含了4個獨立的接收緩沖器，其結構如圖2所示。接收緩沖器共用clk時鐘信號，并將其作為串行數(shù)據(jù)接收的波特率；每個接收緩沖器均有單獨的rxd、bf、cs引腳，其功能分別為：串行數(shù)據(jù)輸入、接收緩沖器儲存狀態(tài)、接收緩沖器片選。各接收緩沖器的片選端分別與2-4譯碼器的輸出腳相連。譯碼器的輸入端構成了4路接收緩沖器選擇的地址線，分別對應a3、a4腳；結構圖中數(shù)據(jù)總線d0～d7、讀緩沖端rd、緩沖儲存狀態(tài)清‘0’端clr和緩沖單元地址線a0～a2為共用信號端口，分別與4個接收緩沖器相連。