FPGA與GPS_OEM板的UART設(shè)計

　　引言

　　UART(標準異步接收器/發(fā)射器)得到了相當廣泛的應用，它允許串行鏈路上進行全雙工通信。一般使用通用的UART接口芯片，但這種芯片存在電路復雜、成本高，降低了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定度，由于結(jié)構(gòu)和功能的相對固定，因而我們不能根據(jù)自己的設(shè)計需要去進行剪裁和移植。而日益成熟的SOPC(Silicon on Programmable Chip，系統(tǒng)可編程芯片)技術(shù)要求將整個設(shè)計功能集成到一塊或幾塊芯片中，本文通過對UART功能的分析，提出了在FPGA上集成UART功能模塊，增強了設(shè)計的靈活性，簡化了電路，并通過有限狀態(tài)機來描述核心功能控制邏輯，從而提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠度?；谶@種思想，本文提出了一種使用VHDL[1]語言開發(fā)UART核心功能的方法，將UART模塊嵌入到FPGA芯片，實現(xiàn)了FPGA與GPS_OEM板之間的數(shù)據(jù)通信，為FPGA采集并處理GPS_OEM板數(shù)據(jù)提供基礎(chǔ)。UART所有功能的實現(xiàn)全部采用VHDL硬件描述語言來進行描述。設(shè)計、綜合、仿真在QUARTUS II9.0軟件開發(fā)環(huán)境下實現(xiàn)。

　　系統(tǒng)設(shè)計

　　由于FPGA接口采用TTL電平，而OEM[2]板的串行通信采用RS-232標準電平，故需電平轉(zhuǎn)換，電平轉(zhuǎn)換接口可以通過MAX202[3]片來實現(xiàn)。GPS25LP[4]兩個串行口，其端口1可用來輸入差分修正信息和輸出衛(wèi)星的原始測量信息，而端口2則用來輸入設(shè)定語句和輸出定位語句，因此，只需將FPGA接口與GPS25LP串行口2對應連接即可。其接口電路如圖1所示。FPGA的全局時鐘Global_clk由24 MHz的晶振產(chǎn)生。

　　UART電路由波特率發(fā)生器、發(fā)送模塊和接收模塊3部分組成。UART的RTL(寄存器傳輸級)模塊組合電路如圖2。波特率發(fā)生器為發(fā)送模塊和接收模塊提供時鐘信號，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的異步可靠傳輸。

　　假定本方案設(shè)計的UART數(shù)據(jù)格式為：數(shù)據(jù)位為8位、波特率可選、不設(shè)奇偶校驗位、1位停止位，異步通信的過程如下：GPS_OEM板產(chǎn)生發(fā)送串行數(shù)據(jù)，由MAX202的TXD端輸入，經(jīng)過MAX202進行電平轉(zhuǎn)換由FPGA串口接收模塊的RXD端進入，進行串并轉(zhuǎn)換得到8位位寬數(shù)據(jù)總線，該數(shù)據(jù)由FPGA的其他模塊進行處理;FPGA產(chǎn)生發(fā)送的8位并行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由8位數(shù)據(jù)線進入FPGA串口發(fā)送模塊，進行并串轉(zhuǎn)換后由TXD輸出到MAX202的，經(jīng)過MAX202電平轉(zhuǎn)換發(fā)送至GPS_OEM板。