一種基于FPGA的UART 電路實現(xiàn)

1 引 言

　　UART 即通用異步收發(fā)器，他廣泛使用串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。UART 功能包括微處理器接口、用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)木彌_器（Buffer）、幀產(chǎn)生、奇偶校驗、并串轉(zhuǎn)換，用于數(shù)據(jù)接收的緩沖器、幀產(chǎn)生、奇偶校驗、串并轉(zhuǎn)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(jié)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(shù)據(jù)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(guī)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(shè)備或需要加密通訊的場合使用UART 就不是最合適的。如果設(shè)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(nèi)部，從而使整個設(shè)計更加緊湊、穩(wěn)定、可靠。分析UART的結(jié)構(gòu)，UART 主要由數(shù)據(jù)總線接口、控制邏輯和狀態(tài)接口、波特率發(fā)生器、發(fā)送和接收等部分組成。在本設(shè)計中，固定數(shù)據(jù)幀格式為： 開始位（1 b 低電平）、8 位數(shù)據(jù)位、偶校驗、停止位（1 b 高電平） ， 波特率可調(diào)。

　　2 波特率發(fā)生模塊

　　設(shè)計的UART 的接收和發(fā)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(shè)置。

　　UART 收發(fā)的每一個數(shù)據(jù)寬度都是波特率發(fā)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(fā)，那么波特率發(fā)生器的輸出時鐘頻率應(yīng)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(shù)值到波特率發(fā)生器保持寄存器，然后用計數(shù)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(shù)值為1 600 000？（16×10 000） - 1= 9 （09H）。

　　3 發(fā)送模塊

　　根據(jù)UART 協(xié)議的描述，發(fā)送邏輯流程如圖1 所示。

　　發(fā)送數(shù)據(jù)由接口模塊控制，接口模塊給出w rn 信號，發(fā)送器根據(jù)此信號將并行數(shù)據(jù)鎖存，并通過發(fā)送保持寄存器和發(fā)送移位寄存器發(fā)送并行數(shù)據(jù)。由計數(shù)器no_ bs_sent 控制狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，即數(shù)據(jù)的發(fā)送，計數(shù)值為1 時，數(shù)據(jù)從發(fā)送保持寄存器傳送到發(fā)送移位寄存器，計數(shù)值為2時，發(fā)送開始位（1 b 低電平） ， 計數(shù)值為3~ 10， 發(fā)送8 位數(shù)據(jù)，計數(shù)器為11， 發(fā)送校驗位，計數(shù)值為12， 發(fā)送1 位停止位，計數(shù)器隨后清零。發(fā)送時鐘是根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈十a(chǎn)生的，16 倍于波特率發(fā)生器產(chǎn)生的時鐘。

　　圖1 發(fā)送邏輯的流程

　　發(fā)送模塊信號：

　　rst （輸入） ： 復(fù)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(shù)據(jù)輸入信號；

　　clk16x （輸入） ： 外部時鐘信號；

　　tbre （輸出） ： 發(fā)送保持寄存器空信號， 高電平有效；

　　t sre （輸出） ： 發(fā)送移位寄存器空信號， 高電平有效；

　　sdo （輸出） ： 串行數(shù)據(jù)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(jié)果如圖2所示。

　　圖2 發(fā)送模塊時序仿真波形圖

　4 接收模塊

　　根據(jù)UART 的協(xié)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(shù)據(jù)的下降沿來檢查起始位，然后產(chǎn)生接收時鐘，利用接收時鐘來采樣串行輸入數(shù)據(jù)，在緩沖器中作移位操作，同時產(chǎn)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(chǎn)生錯誤指示信號。接收時鐘是根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈十a(chǎn)生的，16 倍于波特率發(fā)生器產(chǎn)生的時鐘。

　　接收模塊信號：

　　rst （輸入） ： 復(fù)位信號；

　　clk16x （輸入） ： 輸入時鐘；

　　rdn （輸入） ： 讀鎖存信號；

　　rxd （輸入） ： 串行數(shù)據(jù)輸入信號；

　　dout ［ 0： 7 ］ （輸出） ： 并行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jié)果如圖4 所示。接收時鐘與發(fā)送時鐘相同，接收到一幀串行數(shù)據(jù)，由接收模塊轉(zhuǎn)換為并行輸出，并且檢驗校驗位和停止位，產(chǎn)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(fā)送、接收、波特率發(fā)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(fā)送、接收以及內(nèi)部時鐘的生成。在nw rn 有效并且內(nèi)部信號tbre= ′0′（發(fā)送緩沖寄存器空） 時，將數(shù)據(jù)總線輸入的并行數(shù)據(jù)發(fā)送給發(fā)送模塊數(shù)據(jù)線din （7： 0） ， 執(zhí)行發(fā)送數(shù)據(jù)功能。在nrdn 有效并且內(nèi)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(shù)據(jù)。波特率發(fā)生器和發(fā)送模塊的并行數(shù)據(jù)輸入端口共用一個數(shù)據(jù)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(fā)送一幀數(shù)據(jù)為“00101011001”， 第一位為起始位，8 位數(shù)據(jù)位，校驗位為“0”（偶校驗） ， 1 位停止位，空閑狀態(tài)位為高電平。并行輸出端口ndout 輸出為“00101010”， 輸入數(shù)據(jù)幀格式正確，校驗位正確。

　　7 結(jié) 語

　　用FPGA 器件實現(xiàn)了UART 異步收發(fā)器的核心功能，可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，并可以在接收數(shù)據(jù)時對其校驗位、停止位進行判斷，在發(fā)送數(shù)據(jù)時可以形成完整的一幀數(shù)據(jù)格式。其接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的時鐘有內(nèi)部波特率發(fā)生器產(chǎn)生，根據(jù)預(yù)置的分頻系數(shù)，對外部時鐘進行分頻，產(chǎn)生需要的接收或發(fā)送時鐘。將該UART 電路作為一功能塊嵌入到一個FPGA 實現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中，成功地實現(xiàn)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(wěn)定、可靠，可運用于低端的異步通信。