1 引 言

UART 即通用異步收發器，他廣泛使用串行數據傳輸協議。UART 功能包括微處理器接口、用于數據傳輸的緩沖器（Buffer）、幀產生、奇偶校驗、并串轉換，用于數據接收的緩沖器、幀產生、奇偶校驗、串并轉換等。UART的特點是一個字符接一個字符傳輸，并且傳送一個字符總是以起始位開始，以停止位結束，字符之間沒有固定的時間間隔要求。每一個字符的前面都有一位起始位（低電平，邏輯值0） ， 字符本身由5~ 8 位數據位組成，接著字符后面是一位校驗位，最后是停止位（1 位，或1 位半，或2位） ， 停止位后面是不定長度的空閑位。停止位和空閑位都規定高電平（邏輯值1） ， 這樣可以保證起始位開始處有一個下降沿。在一般的使用中往往不需要使用完整的UART功能，比如對于多串口的設備或需要加密通訊的場合使用UART 就不是最合適的。如果設計上用到FPGA ？CPLD器件，那么就可以將所需要的UART 功能集成到FPGA內部，從而使整個設計更加緊湊、穩定、可靠。分析UART的結構，UART 主要由數據總線接口、控制邏輯和狀態接口、波特率發生器、發送和接收等部分組成。在本設計中，固定數據幀格式為： 開始位（1 b 低電平）、8 位數據位、偶校驗、停止位（1 b 高電平） ， 波特率可調。

2 波特率發生模塊

設計的UART 的接收和發送按照相同的波特率進行，波特率可以通過接口模塊的總線接口進行設置。

UART 收發的每一個數據寬度都是波特率發生器輸出的時鐘周期的16 倍，即假定當前按照9 600 b？s 進行收發，那么波特率發生器的輸出時鐘頻率應該為9 600×16 Hz.

假定提供的外部時鐘為116MHz， 可以很簡單地通過總線寫入不同的數值到波特率發生器保持寄存器，然后用計數器的方式生成所需要的各種波特率，即分頻器。計算公式為： 1 600 000？（16×所期望的波特率） - 1， 如果希望輸出10 000 Hz 的波特率，可以得出從總線寫入的數值為1 600 000？（16×10 000） - 1= 9 （09H）。

3 發送模塊

根據UART 協議的描述，發送邏輯流程如圖1 所示。

發送數據由接口模塊控制，接口模塊給出w rn 信號，發送器根據此信號將并行數據鎖存，并通過發送保持寄存器和發送移位寄存器發送并行數據。由計數器no_ bs_sent 控制狀態的轉移，即數據的發送，計數值為1 時，數據從發送保持寄存器傳送到發送移位寄存器，計數值為2時，發送開始位（1 b 低電平） ， 計數值為3~ 10， 發送8 位數據，計數器為11， 發送校驗位，計數值為12， 發送1 位停止位，計數器隨后清零。發送時鐘是根據數據傳輸的波特率產生的，16 倍于波特率發生器產生的時鐘。

圖1 發送邏輯的流程

發送模塊信號：

rst （輸入） ： 復位端口， 低電平有效；

w rn （輸入） ： 寫控制信號；

din ［ 0： 7 ］ （輸入） ： 并行數據輸入信號；

clk16x （輸入） ： 外部時鐘信號；

tbre （輸出） ： 發送保持寄存器空信號， 高電平有效；

t sre （輸出） ： 發送移位寄存器空信號， 高電平有效；

sdo （輸出） ： 串行數據輸出信號。

用VHDL 語言編寫代碼，使用Xinlinx 的ISE511 進行邏輯綜合，運用Modelsim 7.2 做時序仿真，其結果如圖2所示。

圖2 發送模塊時序仿真波形圖

4 接收模塊

根據UART 的協議描述，可以畫出如圖3 所示的接收邏輯流程圖。接收邏輯首先通過檢測輸入數據的下降沿來檢查起始位，然后產生接收時鐘，利用接收時鐘來采樣串行輸入數據，在緩沖器中作移位操作，同時產生校驗位，在第9 位處比較校驗位是否正確，在第10 位處比較停止位是否為高，在校驗位錯誤或停止位錯誤的情況下產生錯誤指示信號。接收時鐘是根據數據傳輸的波特率產生的，16 倍于波特率發生器產生的時鐘。

接收模塊信號：

rst （輸入） ： 復位信號；

clk16x （輸入） ： 輸入時鐘；

rdn （輸入） ： 讀鎖存信號；

rxd （輸入） ： 串行數據輸入信號；

dout ［ 0： 7 ］ （輸出） ： 并行數據輸出總線；

fram ing_ erro r （輸出） ： 幀錯誤信號；

parity_ erro r （輸出） ： 校驗錯誤信號；

data_ ready （輸出） ： 數據接收完畢信號。

圖3 接收邏輯的流程

運用Modelsim 712 對接收模塊做了時序仿真，其結果如圖4 所示。接收時鐘與發送時鐘相同，接收到一幀串行數據，由接收模塊轉換為并行輸出，并且檢驗校驗位和停止位，產生fram ing_ erro r 和parity_ erro r 信號輸出。

圖4 接收模塊時序仿真波形圖

5 接口控制模塊

接口控制模塊連接控制發送、接收、波特率發生模塊，并與外部并行總線相連接，從外部（CPU 或單片機） 接收控制信號（nrst， nw rn， nbdn， nrdn） ， 來控制UART 的發送、接收以及內部時鐘的生成。在nw rn 有效并且內部信號tbre= ′0′（發送緩沖寄存器空） 時，將數據總線輸入的并行數據發送給發送模塊數據線din （7： 0） ， 執行發送數據功能。在nrdn 有效并且內部信號data_ ready， parity_erro r， fram ing_ erro r 有效時，允許從接收模塊讀入接收到的數據。波特率發生器和發送模塊的并行數據輸入端口共用一個數據總線。

6 總體電路綜合及仿真

UART 總體電路如圖5 所示，分別由上述4 個模塊組成。其時序仿真如圖6 所示。

圖5 UART 總體電路圖

圖6 UART 總體時序仿真波形圖

觀察圖6， 可以看到串行輸出端口sdo 發送一幀數據為“00101011001”， 第一位為起始位，8 位數據位，校驗位為“0”（偶校驗） ， 1 位停止位，空閑狀態位為高電平。并行輸出端口ndout 輸出為“00101010”， 輸入數據幀格式正確，校驗位正確。

7 結 語

用FPGA 器件實現了UART 異步收發器的核心功能，可以實現對數據的接收和發送，并可以在接收數據時對其校驗位、停止位進行判斷，在發送數據時可以形成完整的一幀數據格式。其接收和發送數據的時鐘有內部波特率發生器產生，根據預置的分頻系數，對外部時鐘進行分頻，產生需要的接收或發送時鐘。將該UART 電路作為一功能塊嵌入到一個FPGA 實現的數據采集與處理系統中，成功地實現了和遠端的PC 機進行異步串行通信。實驗證明該UART 電路簡單，工作穩定、可靠，可運用于低端的異步通信。