引言

隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛推廣和應(yīng)用， UART（ Universal Asynchronous Receiver Transmiller）作為一種串行數(shù)據(jù)傳輸方式也得到廣泛的使用。UART允許在串行鏈路上進(jìn)行全雙工通信。串行外設(shè)到 RS 232-C異步串行接口一般采用專用的集成電路即 UART實(shí)現(xiàn)。常見(jiàn)的串行接口芯片如 8250、8251、NS16450等，能夠?qū)崿F(xiàn)比較全面的串行通信功能。而在實(shí)際應(yīng)用中，我們往往并不需要如此完整的功能，從而會(huì)造成資源的浪費(fèi)和成本的提高。隨著 EDA技術(shù)的飛速發(fā)展，我們就可以根據(jù)自己的需求，將所需要的 UART功能集成到 FPGA內(nèi)部，從而簡(jiǎn)化了電路、減小了體積、提高了系統(tǒng)的可靠性?；谶@種思想，在設(shè)計(jì)中選用 Altera公司的 EP1C12Q240CQ8，使用 Verilog HDL設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) UART的核心功能。

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行方式。 UART是通用異步發(fā)送器，是一種串行異步通信方式。它是各種設(shè)備之間進(jìn)行通信的關(guān)鍵模塊，允許在串行鏈路上進(jìn)行全雙工的通信。在發(fā)送端，并行的數(shù)字信號(hào)需要轉(zhuǎn)化成串行信號(hào)才能通過(guò)有線或無(wú)線傳輸?shù)搅硗庖慌_(tái)設(shè)備；而在接收端，串行信號(hào)必須要被恢復(fù)成并行信號(hào)才能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 UART就是用來(lái)處理這種數(shù)據(jù)與串口之間的串并和并串轉(zhuǎn)換的。

UART傳送一個(gè)字符以起始位 （Start Bit）開(kāi)始，以停止位（ Stop Bit）結(jié)束，字符之間沒(méi)有固定的時(shí)間間隔要求。每一個(gè)字符的前面都有一個(gè)起始位（低電平），字符本身由 5~8位數(shù)據(jù)位組成，然后是一位校驗(yàn)位（可選），最后是停止位（ 1位，1位半或 2位），停止位后面是不定長(zhǎng)度的空閑位。停止位和空閑位都規(guī)定高電平，這樣就可以保證起始位開(kāi)始處有一個(gè)下降沿。

2 UART在 FPGA中的實(shí)現(xiàn)

2.1UART的硬件電路設(shè)計(jì)

在串行通信中，普遍采用的是 RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)。硬件電路主要由 FPGA串口模塊、 MAX3232和 DB-9組成，電路圖如圖 2所示。數(shù)據(jù)從 DB-9的 TxD端進(jìn)入，經(jīng)過(guò) MAX3232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后由 FPGA串口模塊中的 RxD端進(jìn)入，進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換后由數(shù)據(jù)總線進(jìn)入 FPGA的其他模塊。數(shù)據(jù)處理后經(jīng)由數(shù)據(jù)總線進(jìn)入 FPGA串口模塊，在其中進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換后由 TxD端輸出到 MAX3232中，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后由 DB-9的 RxD端輸出。

2.2 UART的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) UART主要由波特率發(fā)生模塊、發(fā)送模塊、接收模塊這三個(gè)部分組成。

2.2.1 波特率發(fā)生模塊

當(dāng) UART在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，只需要按照一定的速率將數(shù)據(jù)串行地移動(dòng)出就可以了。然而，當(dāng) UART在接收串行的數(shù)據(jù)時(shí)，在什么時(shí)刻將數(shù)據(jù)移入移位寄存器是非常關(guān)鍵的。最理想的情況是在串行數(shù)據(jù)的每一位的中間時(shí)刻，對(duì)串行數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。對(duì)每一位數(shù)據(jù)的時(shí)間進(jìn)行分段，時(shí)間的分段越多，對(duì)串行數(shù)據(jù)的采樣就越靠近中點(diǎn)，由于接收方和發(fā)送方的時(shí)鐘不可能完全同步，時(shí)間的分段越多，接收方出現(xiàn)采樣錯(cuò)誤的概率就越低。但時(shí)間的分段越多，也意味著采樣時(shí)間就越高，系統(tǒng)的開(kāi)銷就越大。因此，在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，采用 16倍于波特率的時(shí)鐘頻率。UART收發(fā)的每一個(gè)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。如按照 9600b/s進(jìn)行收發(fā)，那么波特率發(fā)生器的輸出時(shí)鐘頻率應(yīng)為 9600×16Hz。由于外部時(shí)鐘采用 25MHz，可以很簡(jiǎn)單地通過(guò)總線寫(xiě)入不同的數(shù)值到波特率發(fā)生器保持寄存器中，然后用計(jì)數(shù)器的方式生成所需要的各種波特率。計(jì)算公式為： 25000000/（16×所期望的波特率）－1。

2.2.2 發(fā)送模塊

發(fā)送模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)并行數(shù)據(jù)的緩存，并串轉(zhuǎn)換，然后把串行數(shù)據(jù)按照既定數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行輸出，其機(jī)構(gòu)如圖 3所示：

實(shí)驗(yàn)中串行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為 1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位奇偶校驗(yàn)位， 1位停止位。數(shù)據(jù)的發(fā)送由外部接收模塊控制，接收模塊給出 wrn信號(hào)，UART發(fā)送模塊根據(jù)此信號(hào)將并行數(shù)據(jù) data-input鎖存進(jìn)發(fā)送緩沖，并通過(guò)移位寄存器進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換結(jié)束后加上奇偶校驗(yàn)位，發(fā)送到端口 txd進(jìn)行串行輸出。在整個(gè)工作過(guò)程中，輸出信號(hào) tbre作為標(biāo)志信號(hào)，在串行數(shù)據(jù)全部輸出完畢之后變成 0，并在發(fā)送模塊未工作時(shí)保持為 0。

2.4接收模塊

接收模塊的結(jié)構(gòu)如圖 4所示。接收模塊的作用是把收到的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，并判斷收到數(shù)據(jù)是否有錯(cuò)。接收模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程與發(fā)送模塊類似，只不過(guò)接收模塊的工作和發(fā)送模塊的工作相反，是進(jìn)行數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換。

rxd dout［7:0］

rdn data ready

rst parity-error

clk 16xframing-error

a） rxd接收串行數(shù)據(jù)輸入；

b） rdn為輸入控制端，只有 rdn為 0時(shí)，并行數(shù)據(jù)才允許輸出；

c） data-ready為數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好的標(biāo)志；

d） parity-error為校驗(yàn)位是否出錯(cuò)的標(biāo)志；

e） framing-error為幀是否出錯(cuò)的標(biāo)志；

f） data-out［7:0］為并行數(shù)據(jù)輸出端。

接收模塊從捕捉到數(shù)據(jù)串的第一個(gè) 0開(kāi)始工作，然后把隨后依次輸入的 8個(gè)數(shù)據(jù)位通過(guò)移位在寄存器中完成竄并轉(zhuǎn)換，并將并行數(shù)據(jù)輸出至端口 data-out。將 8個(gè)數(shù)據(jù)位移位至寄存器后，接收模塊將檢測(cè)輸入數(shù)據(jù)串的最后一位是否為 1（停止位）來(lái)判斷接收到的數(shù)據(jù)幀是否出錯(cuò)，若不為 1，就將輸出 framing-error置 1。

3 仿真驗(yàn)證在實(shí)驗(yàn)中，作者選用 Altera公司的 Cyclone系列產(chǎn)品中的 EP1C12Q240C8芯片，硬件描述語(yǔ)言采用 Verilog HDL，用 Quartus 5.1進(jìn)行邏輯綜合，仿真工具則使用 ModelSim6.0。發(fā)送模塊和接收模塊的仿真結(jié)果分別如圖 5所示。發(fā)送的數(shù)據(jù)能夠嚴(yán)格按照串行通信協(xié)議進(jìn)行傳輸；接收的數(shù)據(jù)也完全正確。通過(guò)仿真測(cè)試后，將程序下載到 FPGA芯片中運(yùn)行，結(jié)果通信數(shù)據(jù)正確，電路工作穩(wěn)定、可靠。

4 結(jié)束語(yǔ)

用 FPGA實(shí)現(xiàn)了 UART通信功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，并可以在接收數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)其校驗(yàn)位、停止位進(jìn)行判斷，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)可以形成完整的一幀數(shù)據(jù)格式。本文利用 FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了 UART的核心功能，可以和上位機(jī)進(jìn)行異步串行通信。實(shí)驗(yàn)證明該 UART設(shè)計(jì)占用資源少，工作穩(wěn)定可靠。

本文作者創(chuàng)新觀點(diǎn)：本文對(duì) UART系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模塊化分析，可以根據(jù)實(shí)際的需要可選擇地實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的通信功能，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性，可以靈活地嵌入到各個(gè)通信系統(tǒng)當(dāng)中。