FPGA與GPS_OEM板的UART設(shè)計(jì)

　　引言

　　UART(標(biāo)準(zhǔn)異步接收器/發(fā)射器)得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，它允許串行鏈路上進(jìn)行全雙工通信。一般使用通用的UART接口芯片，但這種芯片存在電路復(fù)雜、成本高，降低了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定度，由于結(jié)構(gòu)和功能的相對(duì)固定，因而我們不能根據(jù)自己的設(shè)計(jì)需要去進(jìn)行剪裁和移植。而日益成熟的SOPC(Silicon on Programmable Chip，系統(tǒng)可編程芯片)技術(shù)要求將整個(gè)設(shè)計(jì)功能集成到一塊或幾塊芯片中，本文通過(guò)對(duì)UART功能的分析，提出了在FPGA上集成UART功能模塊，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的靈活性，簡(jiǎn)化了電路，并通過(guò)有限狀態(tài)機(jī)來(lái)描述核心功能控制邏輯，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠度?；谶@種思想，本文提出了一種使用VHDL[1]語(yǔ)言開(kāi)發(fā)UART核心功能的方法，將UART模塊嵌入到FPGA芯片，實(shí)現(xiàn)了FPGA與GPS_OEM板之間的數(shù)據(jù)通信，為FPGA采集并處理GPS_OEM板數(shù)據(jù)提供基礎(chǔ)。UART所有功能的實(shí)現(xiàn)全部采用VHDL硬件描述語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行描述。設(shè)計(jì)、綜合、仿真在QUARTUS II9.0軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　由于FPGA接口采用TTL電平，而OEM[2]板的串行通信采用RS-232標(biāo)準(zhǔn)電平，故需電平轉(zhuǎn)換，電平轉(zhuǎn)換接口可以通過(guò)MAX202[3]片來(lái)實(shí)現(xiàn)。GPS25LP[4]兩個(gè)串行口，其端口1可用來(lái)輸入差分修正信息和輸出衛(wèi)星的原始測(cè)量信息，而端口2則用來(lái)輸入設(shè)定語(yǔ)句和輸出定位語(yǔ)句，因此，只需將FPGA接口與GPS25LP串行口2對(duì)應(yīng)連接即可。其接口電路如圖1所示。FPGA的全局時(shí)鐘Global_clk由24 MHz的晶振產(chǎn)生。

　　UART電路由波特率發(fā)生器、發(fā)送模塊和接收模塊3部分組成。UART的RTL(寄存器傳輸級(jí))模塊組合電路如圖2。波特率發(fā)生器為發(fā)送模塊和接收模塊提供時(shí)鐘信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的異步可靠傳輸。

　　假定本方案設(shè)計(jì)的UART數(shù)據(jù)格式為：數(shù)據(jù)位為8位、波特率可選、不設(shè)奇偶校驗(yàn)位、1位停止位，異步通信的過(guò)程如下：GPS_OEM板產(chǎn)生發(fā)送串行數(shù)據(jù)，由MAX202的TXD端輸入，經(jīng)過(guò)MAX202進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換由FPGA串口接收模塊的RXD端進(jìn)入，進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換得到8位位寬數(shù)據(jù)總線(xiàn)，該數(shù)據(jù)由FPGA的其他模塊進(jìn)行處理;FPGA產(chǎn)生發(fā)送的8位并行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由8位數(shù)據(jù)線(xiàn)進(jìn)入FPGA串口發(fā)送模塊，進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換后由TXD輸出到MAX202的，經(jīng)過(guò)MAX202電平轉(zhuǎn)換發(fā)送至GPS_OEM板。