基于FPGA的串行通信控制系統(tǒng)的設計

基于現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的系統(tǒng)開發(fā)可以廣泛應用于各行各業(yè)，ASIC設計、通信、控制、電力電子等。其主要優(yōu)點有：設計周期短、功耗低，可實現(xiàn)更高集成度的數(shù)字系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)等。用戶可對FPGA內(nèi)部的邏輯模塊和I/O模塊重新進行配置，以實現(xiàn)數(shù)字邏輯電路以及基于FPGA的SRAM、查找表(LUT)等。FPGA還具有靜態(tài)可重復編程和動態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改，從而提高設計的可靠性、穩(wěn)定性和靈活性。傳統(tǒng)的設計中，F(xiàn)PGA的功能僅局限于集成電路的應用和驗證，然而隨著電子技術的迅猛發(fā)展，集成度更高，功耗更低，基于FPGA的電路設計將發(fā)揮出更大的優(yōu)勢，使得在一片F(xiàn)PGA中實現(xiàn)一個完備的數(shù)字處理系統(tǒng)成為可能[1-3]。本文提出的基于FPGA的串行通信控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，是在Altera公司的FPGA Cyclone II芯片EP2C5的基礎上實現(xiàn)的，運用VHDL語言編程，在Quartus II軟件上進行編譯、仿真，最終在FPGA開發(fā)板上成功實現(xiàn)下載和調(diào)試驗證。

1 串行通信控制系統(tǒng)的基本原理

基本的通信方式可分為并行通信和串行通信兩種。并行通信就是數(shù)據(jù)以成組的方式在多個并行信道上同時傳輸；而串行通信則是在傳輸過程中，二進制數(shù)據(jù)一位一位的通過一條通信信道，并且按照規(guī)定的規(guī)程依次傳輸，實現(xiàn)計算機與計算機或計算機與外部設備之間的通信(數(shù)據(jù)交換)。由于串行通信的收發(fā)方都只需要一條數(shù)據(jù)線，比較容易實現(xiàn)，而且長距離傳輸時也更加可靠，因此其應用十分廣泛[4]。

串行通信控制系統(tǒng)的模型如圖1所示，其基本原理是：信息源將待傳輸?shù)南⑥D(zhuǎn)換成原始電信號(如電話系統(tǒng)中的電話機就可看成是信息源)；發(fā)送設備對原始電信號進行某種變換或處理，使電信號符合信道的傳輸特性要求；信道是信息傳輸?shù)耐ǖ?，在串行通信時，代表信息的數(shù)字信號序列按時間順序一個接一個地在信道中傳輸；接收端從收到的信號中恢復出相應的原始信號；受信者則將復原的原始信號轉(zhuǎn)變成相應的消息(如電話機將對方傳來的電信號還原成了聲音)；噪聲源是信道中的所有噪聲及通信系統(tǒng)中噪聲的集合[5]。


2 系統(tǒng)整體設計方案

2.1 系統(tǒng)功能

(1)通過4×4鍵盤輸入0~F數(shù)據(jù)，并將此輸入數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，上位機可以準確接收所發(fā)送的數(shù)據(jù)。
(2)通過LED準確接收上位機串口調(diào)試助手發(fā)送的數(shù)據(jù)。
(3)波特率可分為2 400 b/s、4 800 b/s、9 600 b/s、19 200 b/s、38 400 b/s，并且可以隨意修改。

2.2 設計方案

整個設計在Altera Cyclone II平臺上采用了“自頂向下”的模塊化設計思想，并使用硬件描述語言VHDL對電路進行描述。

根據(jù)功能要求，系統(tǒng)可分為4×4鍵盤掃描輸入模塊、LED顯示模塊、接收模塊、發(fā)送模塊和波特率產(chǎn)生模塊5個功能模塊，系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

設計原理為：4×4鍵盤掃描輸入模塊將所輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進制代碼傳輸給發(fā)送模塊，發(fā)送模塊再將此數(shù)據(jù)通過串口TXD發(fā)送到PC機；接收模塊通過串口RXD接收由上位機或串口調(diào)試助手發(fā)送的數(shù)據(jù)，并且顯示在數(shù)碼管上；數(shù)據(jù)傳輸速率由波特率產(chǎn)生模塊的輸出頻率決定，可以根據(jù)需要進行設置，如可設置為2 400 b/s、4 800 b/s等。

3 功能子模塊的設計與實現(xiàn)

3.1 接收模塊的設計

接收模塊的主要功能為接收PC機發(fā)送8 bit二進制數(shù)。根據(jù)功能要求，采用VHDL硬件描述語言對其功能進行描述，模塊頂層設計文件如圖3所示，各端口分別為：bclkr(傳輸速率控制端，輸入波特率產(chǎn)生模塊的輸出頻率)、resetr(復位端)、rxd(接收端口，串行輸入)、r_ready(接收就緒)、rbuf(接收寄存器)。該模塊采用有限狀態(tài)機設計。


3.2 發(fā)送模塊的設計

發(fā)送模塊的主要功能是將鍵盤按鍵值以給定的波特率發(fā)送給PC機。本文的設計思想是：當不發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)信號線表現(xiàn)為高電平，即空閑位；當開始發(fā)送數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)信號為低電平，也就是起始位，為了保證能夠在發(fā)送數(shù)據(jù)時準確采樣，采用頻率為波特率16倍的輸入時鐘。輸入時鐘信號由波特率產(chǎn)生模塊的輸出提供。該模塊采用VHDL硬件描述語言進行描述，頂層設計文件如圖4所示，各端口分別為：bclkt(輸入時鐘)、resett(復位)、xmit_cmd_p(發(fā)送命令端)、txdbuf[7...0](發(fā)送緩沖器輸入端)、txd(發(fā)送數(shù)據(jù)端)、txd_done(發(fā)送完畢)。該模塊采用有限狀態(tài)機設計，根據(jù)功能要求，電路包括空閑、起始、等待、移位、停止5個狀態(tài)。


3.3 波特率產(chǎn)生模塊的設計

波特率產(chǎn)生模塊的主要功能：當輸入不同數(shù)據(jù)時，將對輸入的時鐘信號有不同的分頻比，從而產(chǎn)生不同的波特率。波特率發(fā)生器采用加法計數(shù)器來實現(xiàn)多種分頻。產(chǎn)生38 400 b/s的VHDL程序如下：
process(clk，bo)
begin
case bo is
when 100=>clkout=clk38400；
when others=>clkout=null；
end case；
end process；
process(clk，res)
variable cnt5：integer range 39 downto 0；
begin
if res=′1′ then cnt5：=0； clk38400=′0′； //復位
elsif rising_edge(clk) then
if cnt5>=39 then cnt5：=0；clk38400=not clk38400；
//設置分頻系數(shù)38 400波特率
else cnt5：=cnt5+1；
end if；
end if；
end process；

波特率為38 400 b/s的仿真波形如圖5所示。其中，bo為波特率選擇設置端口，將其分配給FPGA開發(fā)板的3個撥動開關，通過撥動開關輸入相應的數(shù)據(jù)實現(xiàn)波特率設置；clk為系統(tǒng)時鐘信號，頻率為24 MHz；res為復位端；clkout為輸出時鐘，提供給接收和發(fā)送模塊，實現(xiàn)不同波特率傳輸。


3.4 鍵盤模塊設計

鍵盤模塊的主要功能是將按鍵轉(zhuǎn)換為8 bit二進制數(shù)，該功能的實現(xiàn)過程為：對于4×4鍵盤，通常連接為4行、4列，因此，要識別按鍵，只需要知道是哪一行和哪一列即可。為了完成這一按鍵識別過程，本設計首先確定行值，如果讀入的4行均為高電平，則肯定沒有鍵按下，如果讀入的4行有一位為低電平，則對應的該行肯定有一個鍵被按下，這樣便可以獲得按鍵的行值；然后通過加法計數(shù)器進行列掃描，獲得列值。將獲取到的行值和列值組合成一個8 bit的數(shù)據(jù)，根據(jù)實現(xiàn)不同的編碼對每個按鍵進行匹配。鍵盤模塊仿真波形如圖6所示。


3.5 數(shù)碼管顯示模塊設計

數(shù)碼管顯示模塊的主要功能是將所接收到的數(shù)據(jù)在8 bit七段數(shù)碼管上進行顯示。本設計中使用的是兩個4 bit一體、共陰極型的七段數(shù)碼管。因此，數(shù)碼管中被輸入高電平的這一段將會被點亮，反之則不亮。應用數(shù)碼管的這一特點，給數(shù)碼管相應的段輸入高電平，從而實現(xiàn)相應數(shù)據(jù)的顯示。通過位選端口來控制，被選通的數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，其余關閉。實現(xiàn)數(shù)碼管顯示的VHDL代碼如下[6]：

LIBRARY ieee；
USE ieee.std_logic_1164.all；
ENTITY led_display IS
PORT
(
ledclk： IN STD_LOGIC；
res： IN STD_LOGIC；
data： IN STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0)；
ledout： OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0)；
sel： OUT STD_LOGIC_VECTOR(2 downto 0)
)；
END led_display；
ARCHITECTURE led_architecture OF led_display IS
BEGIN
process(ledclk，res，data)
begin
if ledclk′event and ledclk=′1′ then
if res=′1′ then ledout=00000000；
end if；
case data is
when 00000000 =>ledout=00111111；
//顯示數(shù)據(jù)0
when 00000001 =>ledout=00000110；
//顯示數(shù)據(jù)1
when 00000010 =>ledout=01011011；
//顯示數(shù)據(jù)2
： ：
： ：
when 00001111 =>ledout=01110001；
//顯示數(shù)據(jù)F
when others =>null；
end case；
end if；
sel=000； end process；
END led_architecture；

4 系統(tǒng)下載與調(diào)試結(jié)果

在Quartus II 7.2中建立項目后，輸入頂層設計文件及各個模塊的VHDL程序代碼，編譯、仿真、管腳分配之后產(chǎn)生編程文件，將編程文件下載到FPGA芯片EP2C5Q208上，通過串口線連接實驗箱與PC機進行調(diào)試及驗證。通過FPGA的4×4鍵盤輸入0~F數(shù)據(jù)，并發(fā)送給PC機，PC機可以正確接收到所發(fā)送的數(shù)據(jù)；同時，通過PC機串口調(diào)試助手發(fā)送數(shù)據(jù)給FPGA時，F(xiàn)PGA也可以準確接收到相應數(shù)據(jù)，并且將接收到的數(shù)據(jù)在數(shù)碼管上顯示；改變波特率時也可以實現(xiàn)上述功能。實驗結(jié)果表明，本設計滿足設計要求。

本設計運用FPGA開發(fā)平臺將串行通信控制系統(tǒng)集成在一片Altera EP2C5芯片中，提高了系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性。同時，由于基于FPGA的系統(tǒng)設計能夠在現(xiàn)場進行編程及調(diào)試，具有很大的靈活性，可以方便地進行修改完善，用戶可以在不改變電路系統(tǒng)的情況下，進行反復編程和隨意修改。一旦設計成熟，也可以制成ASIC芯片，不但大大降低了設計風險，也可以節(jié)約成本。