基于FPGA 的簡化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，介紹了用硬件描述語言Verilog 來開發(fā)各個模塊，并給出仿真結(jié)果。本設計使用Altera 的FPGA 芯片，將UART 的核心功能嵌入到FPGA 內(nèi)部，能夠?qū)崿F(xiàn)異步通信的功能，可以將其靈活地嵌入到各個通信系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：FPGA；UART；Verilog HDL

0 引言
隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛推廣和應用，UART （ Universal Asynchronous Receiver Transmiller ）作為一種串行數(shù)據(jù)傳輸方式也得到廣泛的使用。UART 允許在串行鏈路上進行全雙工通信。串行外設到RS 232-C 異步串行接口一般采用專用的集成電路即UART 實現(xiàn)。常見的串行接口芯片如8250 、8251 、NS16450 等，能夠?qū)崿F(xiàn)比較全面的串行通信功能。而在實際應用中，我們往往并不需要如此完整的功能，從而會造成資源的浪費和成本的提高。隨著EDA 技術(shù)的飛速發(fā)展，我們就可以根據(jù)自己的需求，將所需要的UART 功能集成到FPGA 內(nèi)部，從而簡化了電路、減小了體積、提高了系統(tǒng)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 設計實現(xiàn)UART 的核心功能。1 UART 通信原理 串行通信分為兩種類型：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行通信的關(guān)鍵模塊，允許在串行鏈路上進行全雙工的通信。在發(fā)送端，并行的數(shù)字信號需要轉(zhuǎn)化成串行信號才能通過有線或無線傳輸?shù)搅硗庖慌_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行數(shù)據(jù)處理。UART 就是用來處理這種數(shù)據(jù)與串口之間的串并和并串轉(zhuǎn)換的。
UART 傳送一個字符以起始位(Start Bit) 開始，以停止位（Stop Bit ）結(jié)束，字符之間沒有固定的時間間隔要求。每一個字符的前面都有一個起始位（低電平），字符本身由5~8 位數(shù)據(jù)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度的空閑位。停止位和空閑位都規(guī)定高電平，這樣就可以保證起始位開始處有一個下降沿。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸格式

2 UART 在FPGA 中的實現(xiàn)
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(shù)據(jù)從DB-9 的TxD 端進入，經(jīng)過MAX3232 進行電平轉(zhuǎn)換后由FPGA 串口模塊中的RxD 端進入，進行串并轉(zhuǎn)換后由數(shù)據(jù)總線進入FPGA 的其他模塊。數(shù)據(jù)處理后經(jīng)由數(shù)據(jù)總線進入FPGA 串口模塊，在其中進行并串轉(zhuǎn)換后由TxD 端輸出到MAX3232 中，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后由DB-9 的RxD 端輸出。

圖2 UART 硬件電路圖

1. 2.2 UART 的結(jié)構(gòu)設計 UART 主要由波特率發(fā)生模塊、發(fā)送模塊、接收模塊這三個部分組成。
2.2.1 波特率發(fā)生模塊
當UART 在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，只需要按照一定的速率將數(shù)據(jù)串行地移動出就可以了。然而，當UART 在接收串行的數(shù)據(jù)時，在什么時刻將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的每一位的中間時刻，對串行數(shù)據(jù)進行采樣。對每一位數(shù)據(jù)的時間進行分段，時間的分段越多，對串行數(shù)據(jù)的采樣就越靠近中點，由于接收方和發(fā)送方的時鐘不可能完全同步，時間的分段越多，接收方出現(xiàn)采樣錯誤的概率就越低。但時間的分段越多，也意味著采樣時間就越高，系統(tǒng)的開銷就越大。因此，在實際的設計中，采用16 倍于波特率的時鐘頻率。UART 收發(fā)的每一個數(shù)據(jù)寬度都是波特率發(fā)生器輸出的時鐘周期的16 倍。如按照9600b/s 進行收發(fā)，那么波特率發(fā)生器的輸出時鐘頻率應為9600×16Hz 。由于外部時鐘采用25MHz ，可以很簡單地通過總線寫入不同的數(shù)值到波特率發(fā)生器保持寄存器中，然后用計數(shù)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