FPGA與單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)RS232串口通信的設(shè)計

摘要：本文針對由FPGA構(gòu)成的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力弱的問題，提出FPGA與單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)串行通信的解決方案。在通信過程中完全遵守RS232協(xié)議，具有較強的通用性和推廣價值。
1 前言
現(xiàn)場可編程邏輯器件（FPGA）在高速采集系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣，由于FPGA對采集到的數(shù)據(jù)的處理能力比較差，故需要將其采集到的數(shù)據(jù)送到其他CPU系統(tǒng)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理功能，這就使FPGA系統(tǒng)與其他CPU系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信提到日程上，得到人們的急切關(guān)注。本文介紹利用VHDL語言實現(xiàn) FPGA與單片機的串口異步通信電路。
整個設(shè)計采用模塊化的設(shè)計思想，可分為四個模塊：FPGA數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，F(xiàn)PGA波特率發(fā)生控制模塊，F(xiàn)PGA總體接口模塊以及單片機數(shù)據(jù)接收模塊。本文著重對FPGA數(shù)據(jù)發(fā)送模塊實現(xiàn)進行說明。
2 FPGA數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的設(shè)計
根據(jù)RS232 異步串行通信來的幀格式，在FPGA發(fā)送模塊中采用的每一幀格式為：1位開始位 8位數(shù)據(jù)位 1位奇校驗位 1位停止位，波特率為2400。本系統(tǒng)設(shè)計的是將一個16位的數(shù)據(jù)封裝成高位幀和低位幀兩個幀進行發(fā)送，先發(fā)送低位幀，再發(fā)送高位幀，在傳輸數(shù)據(jù)時，加上文件頭和數(shù)據(jù)長度，文件頭用555555來表示，只有單片機收到555555時，才將下面?zhèn)鬏數(shù)臄?shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)位進行接收，并進行奇校驗位的檢驗，正確就對收到的數(shù)據(jù)進行存儲處理功能，數(shù)據(jù)長度可以根據(jù)需要任意改變。由設(shè)置的波特率可以算出分頻系數(shù)，具體算法為分頻系數(shù)X=CLK/(BOUND*2)?？捎纱耸剿愠鏊璧娜我獠ㄌ芈?。下面是實現(xiàn)上述功能的VHDL源程序。
Library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_arith.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity atel2_bin is
port( txclk: in std_logic; --2400Hz的波特率時鐘
reset: in std_logic; --復(fù)位信號
din: in std_logic_vector(15 downto 0); --發(fā)送的數(shù)據(jù)
start: in std_logic; --允許傳輸信號
sout: out std_logic --串行輸出端口
);
end atel2_bin;
architecture behav of atel2_bin is
signal thr,len: std_logic_vector(15 downto 0);
signal txcnt_r: std_logic_vector(2 downto 0);
signal sout1: std_logic;
signal cou: integer:=0;
signal oddb:std_logic;
type s is(start1,start2,shift1,shift2,odd1,odd2,stop1,stop2);
signal state:s:=start1;
begin
process(txclk)
begin
if rising_edge(txclk) then
if cou<3 then thr<="0000000001010101"; --發(fā)送的文件頭
elsif cou=3 then
thr<="0000000000000010"; --發(fā)送的文件長度
elsif (cou>3 and state=stop2) then thr<=din;--發(fā)送的數(shù)據(jù)
end if;
end if;
end process;
process(reset,txclk)
variable tsr,tsr1,oddb1,oddb2: std_logic_vector(7 downto 0);
begin
if reset='1' then
txcnt_r<=(others=>'0');
sout1<='1';
state<=start1;
cou<=0;
elsif txclk'event and txclk='1' then
case state is
when start1=>
if start='1' then
if cou=3 then
len<=thr;
end if;
tsr:=thr(7 downto 0);
oddb1:=thr(7 downto 0);
sout1<='0'; --起始位
txcnt_r<=(others=>'0');
state<=shift1;
else
state<=start1;
end if;
when shift1=>
oddb<=oddb1(7) xor oddb1(6) xor oddb1(5) xor oddb1(4) xor oddb1(3) xor oddb1(2) xor oddb1(1) xor oddb1(0);
sout1<=tsr(0); --數(shù)據(jù)位
tsr(6 downto 0):=tsr(7 downto 1);
tsr(7):='0';
txcnt_r<=txcnt_r 1;
if (txcnt_r=7) then
state<=odd1;cou<=cou 1;
end if;
when odd1=> --奇校驗位
if oddb='1' then
sout1<='0';state<=stop1;
else
sout1<='1';state<=stop1;
end if;
when stop1=>
sout1<='1'; --停止位
if cou<4 then
state<=start1;
else
state<=start2;
end if;
when start2=>
tsr1:=thr(15 downto 8);
oddb2:=thr(15 downto 8);
sout1<='0'; --起始位
txcnt_r<=(others=>'0');
state<=shift2;
when shift2=>
oddb<=oddb2(7) xor oddb2(6) xor oddb2(5) xor oddb2(4) xor oddb2(3) xor oddb2(2) xor oddb2(1) xor oddb2(0);
sout1<=tsr1(0);--數(shù)據(jù)位
tsr1(6 downto 0):=tsr1(7 downto 1);
tsr1(7):='0';
txcnt_r<=txcnt_r 1;
if (txcnt_r=7) then
state<=odd2;
end if;
when odd2=> --奇校驗位
if oddb='1' then
sout1<='0';state<=stop2;
else
sout1<='1';state<=stop2;
end if;
when stop2=>
sout1<='1'; --停止位
if len="0000000000000000" then
state<=stop2;
else
state<=start1;
len<=len-1;
end if;
end case;
end if;
end process;
sout<=sout1;
end behav;
其中各信號的說明已在程序中標(biāo)明了。波形仿真圖如圖2所示。

圖2 FPGA數(shù)據(jù)發(fā)送時序仿真圖
圖中Din寫入值為3355H，波特率為2400Hz，Start信號始終置邏輯1，即隨時都能發(fā)送數(shù)據(jù)。Reset信號邏輯1時復(fù)位，邏輯0時電路開始工作。THR是數(shù)據(jù)寄存器，文件頭、數(shù)據(jù)長度以及數(shù)據(jù)位都先寄存到THR中，Len是數(shù)據(jù)長度，TSR是低8位數(shù)據(jù)幀寄存器，TSR1是高8位數(shù)據(jù)幀寄存器。數(shù)據(jù)長度Len定為02H，發(fā)送時先發(fā)送低8位55H，后發(fā)送高8位33H，一共發(fā)送兩遍。發(fā)送的數(shù)據(jù)格式說明：當(dāng)發(fā)送55H時，其二進制為01010101，則發(fā)送的數(shù)據(jù)的二進制數(shù)為00101010111（1位開始位 8位數(shù)據(jù)位 1位奇校驗位 1位停止位）。
單片機部分先對FPGA發(fā)送過來的文件頭進行確認，正確就接收文件，否則放棄接收的數(shù)據(jù)。根據(jù)FPGA發(fā)送模塊的協(xié)議，對串口控制寄存器SCON和波特率控制寄存器PCON的設(shè)置即可實現(xiàn)。
3 總結(jié)
目前電子產(chǎn)品的開發(fā)中經(jīng)常要綜合運用EDA技術(shù)、計算機控制技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)，那么電路各部分經(jīng)常需要數(shù)據(jù)交換。本文也是基于此給出這方面應(yīng)用的實例，供開發(fā)者交流。