基于FPGA的RS232異步串行口IP核設計

1 引言

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)常需要進行異步串行數(shù)據(jù)傳輸。目前廣泛使用的RS232異步串行接口，如8250、 NS16450等專用集成器件，雖然使用簡單，卻占用電路板面積、布線復雜等缺點。片上系統(tǒng)SoC(System on Chip)是以嵌入式系統(tǒng)為核心，以IP復用技術為基礎，集軟、硬件于一體的設計方法。使用IP復用技術，將UART集成到FPGA器件上，可增加系統(tǒng)的可靠性，縮小PCB板面積；其次由于IP核的特點，使用IP核可使整個系統(tǒng)更加靈活，還可根據(jù)需要實現(xiàn)功能升級、擴充和裁減。這里采用VHDL語言編寫 UART模塊，將其集成到FPGA上，與器件其他功能模塊構成片上系統(tǒng)SoC。

2 異步串行口模塊設計與實現(xiàn)

　　2．1 UART結構

　　圖1為完整的UART接口，包括由發(fā)送鎖存器、發(fā)送移位寄存器和邏輯控制組成的發(fā)送模塊(txmit)，以及由接收鎖存器、接收移位寄存器和邏輯控制組成的接收模塊(rxcver)。發(fā)送模塊和接收模塊除共用復位信號、時鐘信號和并行數(shù)據(jù)線外，各自分別有輸入輸出和邏輯控制單元。

　　2．2 UART的幀格式

　　圖2為UART的幀格式。該幀格式包括線路空閑狀態(tài)(idie，高電平)、起始位 (start bit，低電平)、5~8位數(shù)據(jù)位(databit)、校驗位(parity bit，可選)和停止位(stop bit，位數(shù)可為1、1．5、2位)。該格式是由起始位和停止位實現(xiàn)字符同步。UART內部一般有配置寄存器，可配置數(shù)據(jù)位數(shù)(5～8位)、是否有校驗位和校驗的類型、停止位的位數(shù)等設置。

　　2．3 波特率時鐘的控制

　　由于數(shù)字量接口、工作模式選擇、實時監(jiān)測接口的波特率都不同，UART核包含一個可編程的波特率發(fā)生器，可靈活配置波特率。波特率發(fā)生器給發(fā)送模塊和接收模塊提供發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的基準時鐘，波特率發(fā)生器產(chǎn)生的時鐘mclkx16是串行數(shù)據(jù)波特率的16倍。它對系統(tǒng)時鐘n分頻，n=系統(tǒng)時鐘／波特率×16，針對不同波特率設定相應數(shù)值可得到所期望的波特率時鐘。 Script type=text/javascript>function ImgZoom(Id)//重新設置圖片大小 防止撐破表格 { var w = $(Id).width; var m = 650; if(w m){return;} else{ var h = $(Id).height; $(Id).height = parseInt(h*m/w); $(Id).width = m; } } window.onload = function() { var Imgs = $(content).getElementsByTagName(img); var i=0; for(;i

2．4 發(fā)送模塊設計

　　發(fā)送模塊分為空閑、載入數(shù)據(jù)、移位等3種模式。如圖3所示。當并行8位數(shù)據(jù)從總線寫入發(fā)送模塊后，發(fā)送模塊將并行數(shù)據(jù)裝入鎖存器thr中，然后在移位寄存器tsr中將數(shù)據(jù)移位，產(chǎn)生完整的發(fā)送序列(包括起始位，數(shù)據(jù)位，奇偶校驗位和停止位)，以相應波特率從tx發(fā)送。發(fā)送模塊的輸入時鐘mclkx16是串行數(shù)據(jù)波特率的16倍，模塊內部將其16分頻后得到波特率時鐘txclk。

　　發(fā)送模塊部分VHDL程序如下：