基于FPGA的UART 16倍頻采樣的VHDL設(shè)計

概述

隨著電子設(shè)計自動化(EDA)技術(shù)的發(fā)展，可編程邏輯器件FPGA/CPLD已經(jīng)在許多方面得到了廣泛應(yīng)用，而UART(通用異步收發(fā)器) 是在數(shù)字通信和控制系統(tǒng)中廣泛使用的串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。因此越來越多用戶根據(jù)自己的需要，以EDA技術(shù)作為開發(fā)手段，用一塊FPGA/CPLD設(shè)計出符合自己需要的UART芯片?；?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA/ CPLD的UART設(shè)計在諸多文獻中都有論述，在此不再對UART整個功能模塊實現(xiàn)做太多的論述。本文著重分析UART接收器起始位的檢測。

3倍頻采樣的缺陷

首先，串行異步通信規(guī)定了字符數(shù)據(jù)的傳送格式。每一幀數(shù)據(jù)由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位、停止位和線路空閑狀態(tài)組成，格式如圖1所示。一般情況起始位為1位，數(shù)據(jù)位為5、6、7或8位、奇偶校驗位為1位，停止位為1、1.5或2位。其中的起始位和停止位就是用來實現(xiàn)字符的同步。在空閑狀態(tài),傳送線為邏輯“1”狀態(tài)。數(shù)據(jù)的傳送總是以一個“起始位”開始的,接著是要傳送的若干數(shù)據(jù)位,低位先行,最后是一個“1”狀態(tài)的“停止位”;那么，當(dāng)接收器檢測到一個“1”向“0”的跳變時，便視為可能的起始位。起始位被確認(rèn)后,就知道發(fā)送器已開始發(fā)送，當(dāng)接收了已協(xié)議好的位數(shù)后并接收到字符幀中停止位就是一幀字符數(shù)據(jù)已發(fā)送完畢。這樣，接收器就知道發(fā)送器何時開始發(fā)送數(shù)據(jù)和何時結(jié)束發(fā)送數(shù)據(jù)。

要提高接收器的接收準(zhǔn)確性，減少誤碼率，必須要用比數(shù)據(jù)波特率高n 倍(n≥1)的速率對數(shù)據(jù)進行采樣。文獻2中采用了非常規(guī)的3倍頻采樣方法：用3倍頻的波特率對每一位數(shù)據(jù)進行采樣(如圖2所示)，然后對3次采樣結(jié)果進行判決。如果3次采樣中至少有2次為高電平，則接收這一位數(shù)據(jù)被判決為高電平，否則，為低電平。

此方法剛開始給人感覺比常規(guī)的16倍頻采樣準(zhǔn)確性高，因為每一位數(shù)據(jù)都進行3取2的判決，而16倍頻采樣對每位數(shù)據(jù)只進行一次中間采樣。然而筆者在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)了其存在抗干擾性差，移植性差等不足。筆者在應(yīng)用中自定義的異步數(shù)據(jù)幀長達21位，應(yīng)用環(huán)境是渦輪工作間。在這樣條件下，3倍頻采樣比在良好的實驗室環(huán)境性能差了很多，誤碼率很高。

經(jīng)分析代碼，發(fā)現(xiàn)3倍頻采樣方法在檢測異步數(shù)據(jù)起始位沒有任何的抗干擾處理。如果在接收線上存在干擾信號，即使是一個很窄負(fù)脈沖干擾，接收器也會誤判為是數(shù)據(jù)幀的起始位，從而產(chǎn)生采樣時鐘進行后續(xù)的數(shù)據(jù)采樣。圖3所示為存在干擾信號時，檢測起始位信號時序仿真波形。圖中COLCK3-IN是3倍頻采樣時鐘，CLOCK1-IN是數(shù)據(jù)波特率，DATAIN是接收線上的數(shù)據(jù)。從圖中看出，干擾信號后,COLCK3-IN時鐘產(chǎn)生，接收器接收數(shù)據(jù)?？梢娊邮盏降臄?shù)據(jù)都是錯誤數(shù)據(jù)。簡單說，文獻2中所論述方法不能識別真假數(shù)據(jù)起始位。再從程序可移植性來說，3倍頻采樣時鐘是用三個數(shù)值進行計數(shù)判斷而得，當(dāng)波特率改變，其數(shù)值都要做相應(yīng)改變，這就增加了程序的修改難度。

16倍頻采樣起始位的檢測

3倍頻采樣方法無法識別真假數(shù)據(jù)起始位，導(dǎo)致其抗干擾性差，準(zhǔn)確性得不到保證。筆者拋棄非常規(guī)3倍頻采樣方法，采用了常規(guī)的16倍頻采樣方法：采用數(shù)據(jù)速率的16倍進行采樣，采樣時鐘連續(xù)采樣到8個低電平信號，可確定該低電平為真正的起始位，從而防止干擾信號產(chǎn)生的假起始位現(xiàn)象的發(fā)生。此后，接收器每隔16個采樣時鐘采樣一次，并把采樣到的數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，以移位方式存入到接收移位寄存器。