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基于FPGA异步串行通信接口模块设计与实现摘要：在基于FPGA芯片的工程实践中,经常需要FPGA与上位机或其他处理器进行通信,为此设计了用于短距离通信的UART接口模块。该模块的程序采用VHD1语言编写，模块的核心发送和接收子模块均采用有限状态机设计，详述了各子模块的设计思路和方法，给出了它们的位真时序图。综合实现后，将程序下载到FPGA芯片中，运行正确无误。又经长时间发送和接收测试，运行稳定可靠。相对参数固定的设计，该UART的波特率、数据位宽、停止位宽、校验位使能及校验模式选择均可以在线设置，为FPGA与其他设备的通信提供了一种可靠途径，具备较强的实用价值。O引言通用异步收发器(universa1asynchronousreceivertransmitter,UART)尽管自20世纪70年代就己出现，但因其简单可靠，目前仍是一种使用广泛的串行通信接口。各种微处理器,不论是单片机,还是DSP、ARM,UART都是基本外围模块。许多场合如系统监控、数据采集都要用到串口通信甚至要用多个串口，如开发串口服务器46。此时通常采用专用芯片，如16C554、VK3224等扩展串口。专用芯片使用简单，然而缺乏灵活性，同时专用芯片集成的串口数量也有限，有时需使用多个芯片才能满足要求5,增加了系统的复杂度，降低了可靠性。FPGA(fie1dprogrammab1egatearray)作为一种可编程芯片,其资源丰富、工作效率高，常用于高速数据采集、算法的高速并行执行78。用户可通过硬件描述语言或电路原理图，设计出个性化的高性能电路模块，具有设计灵活，升级方便的优点。在基于FPGA的工程实践中，常需要其与串口设备通信，但在Xi1inX现有的开发环境ISE中没有相关的IP核。目前也有使用FPGA设计UART的例子9-13后，但有的参数固定，缺乏通用性。本文设计和实现了参数可在线配置的UART接口模块，为FPGA与其他设备通信提供了一种可靠途径。1UART串行通信简介标准的RS232接口常采用DB9连接器,其有2根数据线，6根控制线，1根信号地线。本文设计的UART符合RS232串行通信标准，但在实际中，RS232标准中诸多控制信号使用较少，故文中的UART只使用其中的3根信号线，即TXD、RXD和信号地，这也是很多微处理器UART模块所采用的信号线。UART属于异步通信接口，通信双方需约定好波特率。国际上规定了一系列标准的波特率，如9600b/s、19200b/s.1152OOb/s等。UART每一数据帧，依次由起始位（1位）、数据位（58位），奇偶校验位（可选的1位）以及停止位（12位）组成。其中数据位部分是从最低位先开始传送的；奇偶校验位是对1帧数据中的数据部分和校验位计算，使'1'的个数满足奇数个或偶数个。当UART空闲时，收发引脚RXD与TXD均是高电平。一旦需要发送数据，则首先向TXD引脚输出低电平作为起始位，表示1帧数据的开始。而在接收数据时，检测到起始位将启动一次数据接收流程。2系统设计本文设计的UART通信接口主要由波特率产生模块、发送模块、接收模块以及微处理器接口模块组成。各模块使用VHD1语言来表述，模块之间的信号连接是通过顶层文件中的元件例化语句实现。图1TMJ-结构Ua1IrR的整个设计的结构框图如图1所示。设计和实现的UART通信模块主要功能如下：1）实现了串行数据的发送和接收。2）停止位可设置（1位或2位）。3）可设置是否启用奇偶校验功能，以及校验模式设置即选择奇校验还是偶校验。4）波特率可配置。标准的波特率系列中从9600-115200b/S均可设置，同时还支持自定义的波特率。5）设计了微处理器接口，通过接口可访问UART内部寄存器，配置UART参数，读写收发数据。该UART通信接口包含2个数据缓冲寄存器（TxHo1der和RXHO1der）、3个控制寄存器（UartCon、UartBaud及Uart1ntEn)、3个状态寄存器(UartState、UartError>UartIntPend)o考虑到需要在线更新UART参数，设计UartCon与UartBaUd为双缓冲寄存器。第一级缓冲用于存储外部处理器写入的配置数据，第二级缓冲即用于设置UART内核。当UART内核空闲时，才将第二级缓冲内容更新为第一级缓冲内容，防止破坏收发中的数据。3UART各模块的设计下面详细介绍UART各模块的设计思路和方法，同时给出了主要模块的行为仿真时序图。3.1 波特率发生模块波特率发生模块的作用是产生UART工作所需的圆圆信号，其频率定为实际波特率的16倍。波特率发生模块本质是1个可预置初值的计数器，每当计数达到预置值时输出高电平，其余值输出低电平。3. 2发送模块发送模块按照用户设置，将TxHoIder中的并行数据串行发送出去，其核心为1个有限状态机，其状态转换如图2所示。图发送模块状态转:1"1) Id1e状态当系统上电复位之后，发送状态机即进入此状态。若不向发送缓冲器写入数据，那么TXDataVa1id为低电平，表示发送缓冲器空，状态机始终在此状态循环等待，TXD引脚输出高电平。2) Start状态一旦向发送缓冲器TXHo1der中写入数据，TxDataVa1id即变为高电平。状态机由IdIe状态切换到Start状态，TXD输出低电平，输出起始位。3) Shift状态1位波特时间过后，状态机无条件的转换到Shift状态，即使能发送移位寄存器，开始将并行数据逐位右移，实现并串转换并输出到TXD。当输出的数据个数达到Databit设定的数据位宽时，便转换到Parity或者St0p_1bt状态，否则仍转换到该状态。4) Parity状态若数据位部分发送完毕，且奇偶校验使能位ParityEn='时，则转换到该状态。该状态下，根据已发送的数据和选择的校验模式，发送校验位。5) St0p_1bit状态无论停止位为1位还是2位，都先转换到St0p_1bit状态，先输出1位停止位。由该状态转换下一状态时，次态会有多种情况。若设置了stopbit为'1'即选择2位停止位时，次态为stop_2bit；若StOPbit为0'且发送缓冲器为空时，次态即转换到idIe状态，否则转换到Start状态开始新一轮的数据发送。6) St0p_2bit状态若选择2位停止位时，才会进入此状态。持续1个波特时间后，根据TXDataVa1id状态，进入IdIe状态待命，或进入Start状态开始新1轮的数据发送。发送模块的行为仿真时序图如图3所示。其UART参数设置为偶校验、8位数据位和1位停止位。tXc1k为发送采样时钟信号，在该信号的上升沿，发送状态机状态翻转，同时数据被送到TXoUt(TXD)弓I脚。图中TxOut输出的数据为“00100110011”，去掉起始位、校验位和停止位后即为待发送的数据0X320由仿真所得发送模块的时序图可知，该模块各信号仿真结果正确无误。MEMdfc1a*S承8TCotH6f(TOM<70tTOMtVMMttf1BO4-E3演1JP6M1CUmfOUtoMY(MoMr<9MNCA0inupdMA图3发送模块的行为仿真