基于FPGA的UART設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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比較而言，UART發(fā)送器的設(shè)計(jì)相對容易，只要每隔一個(gè)發(fā)送周期并按照數(shù)據(jù)幀格式輸出數(shù)據(jù)即可，本文將對接收器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)做詳細(xì)說明，發(fā)送器的設(shè)計(jì)方法基本相同。
接收器的工作過程如下，在接收數(shù)據(jù)寄存器被讀出一幀數(shù)據(jù)或系統(tǒng)開始工作以后，接收進(jìn)程被啟動(dòng)。接收進(jìn)程啟動(dòng)之后，檢測起始位，檢測到有效起始位后，以約定波特率的時(shí)鐘開始接收數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)位數(shù)的約定，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，如果使用了奇偶校驗(yàn)，則檢測校驗(yàn)位，如無誤則接收停止位。停止位接收完畢后，將接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到數(shù)據(jù)寄存器中。
為確保接收器可靠工作，在接收端開始接收數(shù)據(jù)位之前，處于搜索狀態(tài)，這時(shí)接收端以16倍波特率的速率讀取線路狀態(tài)，檢測線路上出現(xiàn)低電平的時(shí)刻。因?yàn)楫惒絺鬏數(shù)奶攸c(diǎn)是以起始位為基準(zhǔn)同步的。然而，通信線上的噪音也極有可能使傳號“1”跳變到空號“0”。所以接收器以16倍的波特率對這種跳變進(jìn)行檢測，直至在連續(xù)8個(gè)接收時(shí)鐘以后采樣值仍然是低電平，才認(rèn)為是一個(gè)真正的起始位，而不是噪音引起的，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。找到起始位以后，就開始接收數(shù)據(jù)，最可靠的接收應(yīng)該是接收時(shí)鐘的出現(xiàn)時(shí)刻正好對著數(shù)據(jù)位的中央。由于在起始位檢測時(shí)，已使時(shí)鐘對準(zhǔn)了位中央，用16倍波特率的時(shí)鐘作為接收時(shí)鐘，就是為了確保在位寬的中心時(shí)間對接收的位序列進(jìn)行可靠采樣，當(dāng)采樣計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)結(jié)束后所有數(shù)據(jù)位都已經(jīng)輸入完成。最后對停止位的高電平進(jìn)行檢測，若正確檢測到高電平，說明本幀的各位正確接收完畢，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到數(shù)據(jù)寄存器中，否則出錯(cuò)。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/191633.htm
采用有限狀態(tài)機(jī)模型可以更清晰明確地描述接收器的功能，便于代碼實(shí)現(xiàn)。接收器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3所示，為突出主要過程，圖中省略了奇偶校驗(yàn)的情況。接收器狀態(tài)機(jī)由5個(gè)工作狀態(tài)組成，分別是空閑狀態(tài)、起始位確認(rèn)、采樣數(shù)據(jù)位、停止位確認(rèn)和數(shù)據(jù)正確，觸發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的事件和在各個(gè)狀態(tài)執(zhí)行的動(dòng)作見圖中的文字說明。
在狀態(tài)機(jī)模型的基礎(chǔ)上，使用VHDL來描述接收器功能，其主要代碼如下：
實(shí)現(xiàn)用16倍波特率時(shí)鐘確定起始位的具體方法是設(shè)計(jì)兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)位寄存器rxd1和rxd2，使用語句“rxd1=rxd；rxd2=rxd1；”接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行判斷。當(dāng)檢測到rxdl=O并且rxd2=1時(shí)可以確定下降沿發(fā)生，連續(xù)7個(gè)時(shí)鐘rxd2=0即確定檢測到起始位，之后為了確保在數(shù)據(jù)位中央接收數(shù)據(jù)，同樣用16倍波特率時(shí)鐘對數(shù)據(jù)位進(jìn)行采樣。接收數(shù)據(jù)的方法是設(shè)計(jì)一個(gè)寄存器rxd_buf(7 downto 0)，用語句“rxd_buf(7)=rxd2；rxd_buf(6 DOWNTO 0)=rxd_buf(7 DOWNTO 1)；”實(shí)現(xiàn)移位寄存器右移操作，執(zhí)行8次后接收到一個(gè)完整數(shù)據(jù)。
1．3 波特率發(fā)生器設(shè)計(jì)
波特率發(fā)生器實(shí)質(zhì)是設(shè)計(jì)一個(gè)分頻器，用于產(chǎn)生和RS 232通信同步的時(shí)鐘。在系統(tǒng)中用一個(gè)計(jì)數(shù)器來完成這個(gè)功能，分頻系數(shù)N決定了波特率的數(shù)值。該計(jì)數(shù)器一般工作在一個(gè)頻率較高的系統(tǒng)時(shí)鐘下，當(dāng)計(jì)數(shù)到N／2時(shí)將輸出置為高電平，再計(jì)數(shù)到N／2的數(shù)值后將輸出置為低電平，如此反復(fù)即可得到占空比50％的波特率時(shí)鐘，具體的波特率依賴于所使用的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率和N的大小。如系統(tǒng)時(shí)鐘頻率是40 MHz，要求波特率是9 600，則16倍波特率時(shí)鐘的周期約等于260個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，則計(jì)數(shù)器取260／2=130時(shí)，當(dāng)計(jì)數(shù)溢出時(shí)輸出電平取反就可以得到16倍約定波特率的時(shí)鐘。
使用VHDL來描述波特率發(fā)生器的完整代碼如下：
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