一種基于FPGA和SC16C554實現(xiàn)多串口通信的方法
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隨著電子技術的飛躍發(fā)展，通用數(shù)字信號處理器(DSP)的性能價格比不斷提高，數(shù)據(jù)處理能力不斷加強，其應用領域日益增多，在數(shù)據(jù)實時采集及高速數(shù)字信號處理中應用尤其廣泛。當DSP獨立構成一個處理單元時，往往需要和外設進行數(shù)據(jù)交換，其通信能力至關重要。在研制機載合成孔徑雷達系統(tǒng)時，信號處理機作為系統(tǒng)的核心要與飛控系統(tǒng)、穩(wěn)定平臺、雷達信號源以及導航系統(tǒng)等部分進行數(shù)據(jù)交換；如何實現(xiàn)其與其它部分之間有效的通信成為系統(tǒng)設計的關鍵。串口通信因為其簡單，可靠仍然是廣泛采用的方法之一。
1 串口擴展方案選擇
多串口通信常用的實現(xiàn)方案有兩種：一種是軟件實現(xiàn)，采用軟件編程模擬串口，該方法成本低，但編程復雜、開發(fā)周期長、可靠性低。另一種是硬件實現(xiàn)，使用多串口單片機或?qū)Ｓ么跀U展芯片，該方法雖然成本較高，但是開發(fā)比較簡單，可靠性高。
目前比較通用的實現(xiàn)方案是采用通用異步通信芯片實現(xiàn)串口擴展，采用FPGA／CPLD實現(xiàn)DSP與異步串口擴展芯片之間的邏輯控制，完全基于DSP接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。該方案的缺點是：當數(shù)據(jù)量較大、多串口同時工作時占用DSP的時間較長，影響DSP的工作效率，且會造成數(shù)據(jù)丟失。因此本文提出了一種新的實現(xiàn)方法--基于FPGA和通用異步通信芯片實現(xiàn)多串口通信設計。在不進行硬件改動的基礎上，通過在FPGA內(nèi)建立一個緩存機制，實現(xiàn)接收串口芯片的數(shù)據(jù)，達到一定量時向DSP發(fā)送中斷讀取數(shù)據(jù)。該設計能極大減少對DSP的占用時間，提高了DSP的工作效率；同時提高了對串口芯片中斷請求的響應速度，解決了數(shù)據(jù)丟失的問題。
2 硬件電路設計
本設計采用通用異步通信芯片SC16C554來實現(xiàn)串口擴展。SC16C554主要特點有：
1．有A、B、C、D四個通道獨立收發(fā)數(shù)據(jù)；
2．最高傳輸速率可達5Mbit／s，具有可編程波特率發(fā)生器，便于靈活選擇數(shù)據(jù)收發(fā)頻率；
3．具有16字節(jié)的收發(fā)FIFO，且有1、4、8、14字節(jié)四個可選擇的中斷觸發(fā)深度；
4．可通過編程設置傳輸數(shù)據(jù)的格式(數(shù)據(jù)長度，校驗位，停止位)；
5．具有可獨立控制的發(fā)送、接收、線路狀態(tài)和MODEM狀態(tài)中斷；
6．充分分級的中斷系統(tǒng)控制，全面的線路狀態(tài)報告功能。
基于FPGA和SC16C554實現(xiàn)多串口通信的基本原理圖如圖1所示：
3 軟件設計及實現(xiàn)
系統(tǒng)實際工作所需波特率分別為9600、38400、115200、153600 。分析計算可得不同波特率發(fā)送數(shù)據(jù)時，連續(xù)兩個數(shù)據(jù)之間的時間間隔如表1所示：
由表1可知單個通道連續(xù)兩個中斷產(chǎn)生的最小時間間隔為65μs；因此在65μs的時間內(nèi)如果可以實現(xiàn)對四個通道分別進行一次讀數(shù)據(jù)操作，即使是四個通道同時來數(shù)據(jù)也不會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。
3．1 數(shù)據(jù)的存儲設計
即在FPGA內(nèi)部建立一個緩存機制。設計采用在FPGA內(nèi)部做一個雙端口RAM(DPRAM)，用來存儲串口數(shù)據(jù)，DSP通過訪問DPRAM得到接收的串口數(shù)據(jù)。
DPRAM指一個存儲模塊卻包含兩個獨立的端口，這兩個端口共用同一塊地址空間，兩個端口都可以向這塊空間里寫數(shù)據(jù)或從中讀取數(shù)據(jù)。DPRAM的讀寫數(shù)據(jù)的模式包括只讀、只寫、讀寫三種模式，其中讀寫模式又包括先寫后讀、先讀后寫、只寫不讀三種模式，我們采用先讀后寫的模式。
我們將DPRAM的地址空間分為四部分，分別用來存放四個通道的數(shù)據(jù)。當FPGA收到數(shù)據(jù)時，我們可以根據(jù)置通道標志寄存器CS[2：0]的值來判斷該數(shù)據(jù)來自哪個通道，將其存入對應的地址空間，并將該通道對應地址線加一。當該通道存儲數(shù)據(jù)量達到編程設置的觸發(fā)深度時，就將DSP中斷寄存器dspint置低，向DSP發(fā)送中斷；同時向DPRAM內(nèi)一事先定義好的公共存儲空間寫入通道標志字。當DSP收到中斷后，首先訪問該公共存儲區(qū)讀取通道標志字，判斷該中斷是由哪個通道產(chǎn)生的；然后調(diào)用相應的接收函數(shù)從DPRAM內(nèi)讀取該通道的數(shù)據(jù)存入指定的地址空間等待處理。
3．2 讀串口數(shù)據(jù)狀態(tài)機的設計
一個完整的讀取串口數(shù)據(jù)操作需要進行三次讀操作：讀中斷狀態(tài)寄存器(ISR)、讀線狀態(tài)寄存器(LSR)、讀接收保存寄存器(RHR)。由于這三次讀操作具有嚴格的邏輯順序和時序關系，非常適合采用狀態(tài)機來描述；所以本設計采用有限狀態(tài)機來實現(xiàn)讀取串口數(shù)據(jù)。圖2為讀通道A數(shù)據(jù)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。
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