一種基于FPGA的UART 電路實(shí)現(xiàn)
1 引 言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/190344.htmUART 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(yàn)、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(yàn)、串并轉(zhuǎn)換等。UART的特點(diǎn)是一個(gè)字符接一個(gè)字符傳輸,并且傳送一個(gè)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(shí)間間隔要求。每一個(gè)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(yàn)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(zhǎng)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(gè)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(duì)于多串口的設(shè)備或需要加密通訊的場(chǎng)合使用UART 就不是最合適的。如果設(shè)計(jì)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(gè)設(shè)計(jì)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(jì)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(yàn)、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(jì)的UART 的接收和發(fā)送按照相同的波特率進(jìn)行,波特率可以通過接口模塊的總線接口進(jìn)行設(shè)置。
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,即假定當(dāng)前按照9 600 b?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)該為9 600×16 Hz.
假定提供的外部時(shí)鐘為116MHz, 可以很簡(jiǎn)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(jì)數(shù)器的方式生成所需要的各種波特率,即分頻器。計(jì)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(hào),發(fā)送器根據(jù)此信號(hào)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(jì)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(jì)數(shù)值為1 時(shí),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(jì)數(shù)值為2時(shí),發(fā)送開始位(1 b 低電平) , 計(jì)數(shù)值為3~ 10, 發(fā)送8 位數(shù)據(jù),計(jì)數(shù)器為11, 發(fā)送校驗(yàn)位,計(jì)數(shù)值為12, 發(fā)送1 位停止位,計(jì)數(shù)器隨后清零。發(fā)送時(shí)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(shí)鐘。
圖1 發(fā)送邏輯的流程
發(fā)送模塊信號(hào):
rst (輸入) : 復(fù)位端口, 低電平有效;
w rn (輸入) : 寫控制信號(hào);
din [ 0: 7 ] (輸入) : 并行數(shù)據(jù)輸入信號(hào);
clk16x (輸入) : 外部時(shí)鐘信號(hào);
tbre (輸出) : 發(fā)送保持寄存器空信號(hào), 高電平有效;
t sre (輸出) : 發(fā)送移位寄存器空信號(hào), 高電平有效;
sdo (輸出) : 串行數(shù)據(jù)輸出信號(hào)。
用VHDL 語(yǔ)言編寫代碼,使用Xinlinx 的ISE511 進(jìn)行邏輯綜合,運(yùn)用Modelsim 7.2 做時(shí)序仿真,其結(jié)果如圖2所示。
圖2 發(fā)送模塊時(shí)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(cè)輸入數(shù)據(jù)的下降沿來(lái)檢查起始位,然后產(chǎn)生接收時(shí)鐘,利用接收時(shí)鐘來(lái)采樣串行輸入數(shù)據(jù),在緩沖器中作移位操作,同時(shí)產(chǎn)生校驗(yàn)位,在第9 位處比較校驗(yàn)位是否正確,在第10 位處比較停止位是否為高,在校驗(yàn)位錯(cuò)誤或停止位錯(cuò)誤的情況下產(chǎn)生錯(cuò)誤指示信號(hào)。接收時(shí)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(shí)鐘。
接收模塊信號(hào):
rst (輸入) : 復(fù)位信號(hào);
clk16x (輸入) : 輸入時(shí)鐘;
rdn (輸入) : 讀鎖存信號(hào);
rxd (輸入) : 串行數(shù)據(jù)輸入信號(hào);
dout [ 0: 7 ] (輸出) : 并行數(shù)據(jù)輸出總線;
fram ing_ erro r (輸出) : 幀錯(cuò)誤信號(hào);
parity_ erro r (輸出) : 校驗(yàn)錯(cuò)誤信號(hào);
data_ ready (輸出) : 數(shù)據(jù)接收完畢信號(hào)。
評(píng)論