基于FPGA 的簡(jiǎn)化UART 電路設計

摘要： 本文闡述了通用異步發(fā)生器UART 的功能特點(diǎn)，介紹了用硬件描述語(yǔ)言Verilog 來(lái)開(kāi)發(fā)各個(gè)模塊，并給出仿真結果。本設計使用Altera 的FPGA 芯片，將UART 的核心功能嵌入到FPGA 內部，能夠實(shí)現異步通信的功能，可以將其靈活地嵌入到各個(gè)通信系統中。

關(guān)鍵詞：FPGA；UART；Verilog HDL

0 引言
隨著(zhù)嵌入式系統的廣泛推廣和應用，UART （ Universal Asynchronous Receiver Transmiller ）作為一種串行數據傳輸方式也得到廣泛的使用。UART 允許在串行鏈路上進(jìn)行全雙工通信。串行外設到RS 232-C 異步串行接口一般采用專(zhuān)用的集成電路即UART 實(shí)現。常見(jiàn)的串行接口芯片如8250 、8251 、NS16450 等，能夠實(shí)現比較全面的串行通信功能。而在實(shí)際應用中，我們往往并不需要如此完整的功能，從而會(huì )造成資源的浪費和成本的提高。隨著(zhù)EDA 技術(shù)的飛速發(fā)展，我們就可以根據自己的需求，將所需要的UART 功能集成到FPGA 內部，從而簡(jiǎn)化了電路、減小了體積、提高了系統的可靠性?；谶@種思想，作者在設計中選用Altera 公司的EP1C12Q240CQ8，使用Verilog HDL 設計實(shí)現UART 的核心功能。1 UART 通信原理 串行通信分為兩種類(lèi)型：同步通信方式和異步通行方式。UART 是通用異步發(fā)送器，是一種串行異步通信方式。它是各種設備之間進(jìn)行通信的關(guān)鍵模塊，允許在串行鏈路上進(jìn)行全雙工的通信。在發(fā)送端，并行的數字信號需要轉化成串行信號才能通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)傳輸到另外一臺設備；而在接收端，串行信號必須要被恢復成并行信號才能進(jìn)行數據處理。UART 就是用來(lái)處理這種數據與串口之間的串并和并串轉換的。
UART 傳送一個(gè)字符以起始位(Start Bit) 開(kāi)始，以停止位（Stop Bit ）結束，字符之間沒(méi)有固定的時(shí)間間隔要求。每一個(gè)字符的前面都有一個(gè)起始位（低電平），字符本身由5~8 位數據位組成，然后是一位校驗位（可選），最后是停止位（1 位，1 位半或2 位），停止位后面是不定長(cháng)度的空閑位。停止位和空閑位都規定高電平，這樣就可以保證起始位開(kāi)始處有一個(gè)下降沿。

圖1 數據傳輸格式

2 UART 在FPGA 中的實(shí)現
2.1UART 的硬件電路設計
在串行通信中，普遍采用的是RS-232 接口標準。硬件電路主要由FPGA 串口模塊、MAX3232 和DB-9 組成，電路圖如圖2 所示。數據從DB-9 的TxD 端進(jìn)入，經(jīng)過(guò)MAX3232 進(jìn)行電平轉換后由FPGA 串口模塊中的RxD 端進(jìn)入，進(jìn)行串并轉換后由數據總線(xiàn)進(jìn)入FPGA 的其他模塊。數據處理后經(jīng)由數據總線(xiàn)進(jìn)入FPGA 串口模塊，在其中進(jìn)行并串轉換后由TxD 端輸出到MAX3232 中，經(jīng)電平轉換后由DB-9 的RxD 端輸出。

圖2 UART 硬件電路圖

1. 2.2 UART 的結構設計 UART 主要由波特率發(fā)生模塊、發(fā)送模塊、接收模塊這三個(gè)部分組成。
2.2.1 波特率發(fā)生模塊
當UART 在發(fā)送數據的時(shí)候，只需要按照一定的速率將數據串行地移動(dòng)出就可以了。然而，當UART 在接收串行的數據時(shí)，在什么時(shí)刻將數據移入移位寄存器是非常關(guān)鍵的。最理想的情況是在串行數據的每一位的中間時(shí)刻，對串行數據進(jìn)行采樣。對每一位數據的時(shí)間進(jìn)行分段，時(shí)間的分段越多，對串行數據的采樣就越靠近中點(diǎn)，由于接收方和發(fā)送方的時(shí)鐘不可能完全同步，時(shí)間的分段越多，接收方出現采樣錯誤的概率就越低。但時(shí)間的分段越多，也意味著(zhù)采樣時(shí)間就越高，系統的開(kāi)銷(xiāo)就越大。因此，在實(shí)際的設計中，采用16 倍于波特率的時(shí)鐘頻率。UART 收發(fā)的每一個(gè)數據寬度都是波特率發(fā)生器輸出的時(shí)鐘周期的16 倍。如按照9600b/s 進(jìn)行收發(fā)，那么波特率發(fā)生器的輸出時(shí)鐘頻率應為9600×16Hz 。由于外部時(shí)鐘采用25MHz ，可以很簡(jiǎn)單地通過(guò)總線(xiàn)寫(xiě)入不同的數值到波特率發(fā)生器保持寄存器中，然后用計數器的方式生成所需要的各種波特率。計算公式為：25000000/(16 ×所期望的波特率)－1。
2. 2.2.2 發(fā)送模塊