基于最佳接收的UART的設(shè)計與實現(xiàn)

　　在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中常使用通用異步接收和發(fā)送器UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)實現(xiàn)系統(tǒng)控制信息或低速數(shù)據(jù)信息的傳輸，而UART所采用的奇偶校驗方式不具備前向糾錯能力，檢錯能力也有限，所以在設(shè)計UART時要盡可能提高其抗干擾能力，以加強系統(tǒng)的可靠性。

　　1 基于最佳接收的UART

　　目前UART中的接收器多采用如圖1所示的設(shè)計。

　　同步模塊的作用是檢測異步串口的同步位(Sync位)并提取抽樣判決需要的采樣信號，使抽樣判決模塊盡量在輸入信號RXD的碼元中部對信號采樣(如圖2)。因為信號在碼元邊沿跳變時會有振鈴或過沖等抖動，所以碼元的邊沿部分不適合采樣。要想獲得較佳的抽樣判決效果，最好在靠近碼元中部的位置對接收到的信號進行抽樣判決。

　　這種在碼元中部進行抽樣判決的接收方法可以有效去除振鈴、過沖等信號的邊沿抖動帶來的影響，但無法解決隨機脈沖干擾帶來的問題。如圖3所示，隨機脈沖干擾可能在任何時刻出現(xiàn)。即使同步模塊工作正常，使得抽樣判決總處在碼元中部的最佳采樣時刻，也有可能由于隨機脈沖干擾造成判決錯誤。

　　為了盡可能地減弱隨機干擾及其他干擾給信號接收帶來的影響，引入最佳接收機結(jié)構(gòu)來設(shè)計UART的接收器，以實現(xiàn)信號的最佳接收。等概率二進制確知信號(異步串口通信的信號即屬于此情況)的最佳接收機結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　圖4中的乘法器和積分器實質(zhì)上構(gòu)成了一個相關(guān)器，因此上述結(jié)構(gòu)又稱為相關(guān)器形式的最佳接收機。其中相關(guān)器的輸出u(t)由下式定義：

　　其中：T為采樣周期，N表示一個碼元的時間包含N個采樣周期。

　　U1(kT)和U2(kT)由上式計算可得，然后送到比較器在最佳判決時刻(t=kNT)進行比較，若U1(kT)≥U2(kT)，則判決為邏輯1，否則判決為邏輯0。

　　UART接收器接收的信號是未經(jīng)調(diào)制的二進制基帶信號，碼元波形不是高電平就是低電平，兩種碼元的波形截然不同。因此，如果輸入信號Y(nT)與S1(kT)相關(guān)運算的結(jié)果較大，則Y(nT)與S2(kT)相關(guān)運算的結(jié)果就很小；反之亦然。所以可以將上述最佳接收機結(jié)構(gòu)中S2(kT)這一路相關(guān)器省略，只保留一路相關(guān)器。最后的比較器改成判決器，判決準則是：如果相關(guān)器在最佳判決時刻(t=kNT)的輸出大于某個閾值，則判決為邏輯1；否則判決為邏輯0。經(jīng)過簡化改進基于最佳接收機結(jié)構(gòu)的UART接收器的框圖如圖5所示。

　　下面以一個簡單示例證明基于最佳接收的UART接收器可以有效地去除隨機干擾給信號接收帶來的影響。如圖6所示，在這個碼元周期內(nèi)，如果采用一次抽樣判決，則即使處于一次抽樣判決的最佳采樣時刻，也會由于隨機脈沖干擾而產(chǎn)生誤判；如果引入數(shù)字相關(guān)器在最佳判決時刻進行判決，則盡管由于信號邊沿的抖動和隨機脈沖的干擾，信號的波形遭到了破壞，但信號在碼元周期內(nèi)相關(guān)運算的結(jié)果為7，大于閾值5，接收器依然能正確地判定接收到的信號為邏輯1。這將有效抑制隨機干擾給信號接收帶來的影響。

　　2 基于FPGA的UART設(shè)計優(yōu)化

　　數(shù)字相關(guān)器的引入，極大地提高了UART接收器的抗干擾性能，但也帶來了兩個問題：

　　(1)在數(shù)字相關(guān)器輸出相關(guān)運算的結(jié)果后，判決器需要在最佳判決時刻進行判決，因為此時與信號的相關(guān)輸出最大。同步模塊得到的判決信號與這個最佳判決時刻的偏移越大，UART接收器的性能就越差。也就是說，數(shù)字相關(guān)器對同步模塊的判決信號有很高的精確度要求。

　　(2)數(shù)字相關(guān)器是一個運算量相當大的復雜邏輯器件。

　　以上兩個問題使得UART接收器的邏輯結(jié)構(gòu)非常龐大，并將耗用很大的邏輯資源。而在大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中，UART通常只是控制信息的一個接口，如果設(shè)計出來的UART的IP本身就占用了大量的邏輯資源，則使用者肯定不能接受，且這樣的UART的IP核也毫無價值。所以，要使得這種高性能的UART能在實際工程中應(yīng)用，就必須優(yōu)化UART的邏輯設(shè)計，減少耗用的資源。下面將以現(xiàn)場可編程邏輯門陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)為設(shè)計平臺，根據(jù)UART接收器中同步模塊和數(shù)字相關(guān)器的結(jié)構(gòu)特點以及FPGA的結(jié)構(gòu)特點，對邏輯設(shè)計進行優(yōu)化。

　　2.1 同步模塊的設(shè)計優(yōu)化

　　UART的同步模塊主要檢測Sync位并得到判決信號。理想情況下，如果在一個碼元內(nèi)有N次采樣，則當N次采樣的結(jié)果都為0時，表明檢測到一個Sync 位，而且此時就是數(shù)字相關(guān)器的最佳判決時刻(如圖7)?？墒怯捎谛盘柕倪呇囟秳踊蚴请S機脈沖干擾，N次采樣的結(jié)果通常無法達到同時為0的理想情況，如果以 N作為檢測同步的門限，則可能檢測不到Sync位，造成漏同步。