1 引言

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中， 常需要進(jìn)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等專用集成芯片，雖然使用簡單，卻有占用電路體積、引腳連接復(fù)雜等缺點(diǎn)。SoC（System on Chip，片上系統(tǒng)）是ASIC設(shè)計(jì)中的新技術(shù)，是以嵌入式系統(tǒng)為核心，以IP 復(fù)用技術(shù)為基礎(chǔ)，集軟、硬件于一體的設(shè)計(jì)方法。使用IP復(fù)用技術(shù)，將UART集成到FPGA芯片上，可增加系統(tǒng)的可靠性，縮小PCB板體積；其次由于IP核的特點(diǎn)，使用IP核可使整個系統(tǒng)更加靈活，還可以根據(jù)需要進(jìn)行功能的升級、擴(kuò)充和裁減。

本文使用Verilog HDL語言編寫UART模塊，將其集成到FPGA芯片上，與芯片上的其它功能模塊構(gòu)成SoC片上系統(tǒng)。

2 UART模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

UART串行數(shù)據(jù)格式如圖1所示，串行數(shù)據(jù)包括8位數(shù)據(jù)（8 data bits）、1位起始位（start bit）、1位結(jié)束位（stop bit）、1位校驗(yàn)位（parity bit），共11位。

UART模塊結(jié)構(gòu)如圖２所示，左邊發(fā)送鎖存器、發(fā)送移位寄存器和邏輯控制組成發(fā)送模塊（txmit），右邊接收鎖存器、接收移位寄存器和邏輯控制組成接收模塊（rxcver）。發(fā)送模塊和接收模塊除了共用復(fù)位信號、時鐘信號和并行數(shù)據(jù)線外，分別有各自的輸入、輸出和控制邏輯單元。

2.1 波特率時鐘的控制

UART核包含一個可編程的波特率發(fā)生器，它給發(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(zhǔn)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)時鐘進(jìn)n分頻，計(jì)算公式為：mclkx16=系統(tǒng)時鐘/波特率*16，針對不同波特率設(shè)定相應(yīng)的數(shù)值就可以得到期望的內(nèi)部波特率時鐘。

2.2 發(fā)送模塊設(shè)計(jì)

發(fā)送模塊分為三種模式：空閑模式、載入數(shù)據(jù)模式、移位模式。當(dāng)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(yàn)位和停止位），以相應(yīng)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(nèi)部將其16分頻后得到波特率時鐘txclk。

在發(fā)送時序圖中我們看到輸入數(shù)據(jù)為8’b00001111，校驗(yàn)位為奇校驗(yàn)，產(chǎn)生校驗(yàn)位為’1’。tx端依次輸出起始位’0’，8位數(shù)據(jù)’00001111’，校驗(yàn)位’1’。tsr移位寄存器中數(shù)據(jù)依次右移，高位在前兩次右移中補(bǔ)’1’，之后8次移位中高位補(bǔ)’0’。

下面是發(fā)送模塊主要程序段，使用Verilog HDL語言編寫。由于初始和移位程序比較簡單，這里沒有給出。

always @（posedge txclk or posedge reset）

if （reset）

idle_reset; //初始程序

else

begin

if （txdone && txdatardy）

load_data; //將數(shù)據(jù)裝入tsr，并發(fā)送起始位

else

begin

shift_data; // tsr8位數(shù)據(jù)移位，并產(chǎn)生校驗(yàn)位

if （txdone ）

tx 《= 1‘b1; // 輸出停止位

else if （paritycycle）

tx 《= txparity; // 輸出校驗(yàn)位

else

tx 《= tsr［0］; //輸出數(shù)據(jù)位

end

end

2.3 接收模塊設(shè)計(jì)

接收模塊也分為三種模式：空閑模式、檢測起始位模式、移位模式。首先捕捉起始位，

在mclkx16時鐘下不斷檢測從rx端輸入數(shù)據(jù)的起始位，當(dāng)檢測到起始位后，接收模塊由空閑模式轉(zhuǎn)換為移位模式，并且16分頻mclkx16產(chǎn)生rxclk波特率時鐘。此時rxclk時鐘的上升沿位于串行數(shù)據(jù)每一位的中間，這樣接下來的數(shù)據(jù)在每一位的中點(diǎn)采樣，能有效濾除噪聲影響。然后由rxclk控制在上升沿將數(shù)據(jù)位寫入移位寄存器rsr的rsr［7］位，并且rsr右移1位，照此過程8位數(shù)據(jù)全部寫入rsr，并且停止產(chǎn)生rxclk波特率時鐘。判斷奇偶校驗(yàn)、幀結(jié)構(gòu)和溢出標(biāo)志正確后，rsr寄存器中的數(shù)據(jù)寫入rhr數(shù)據(jù)鎖存寄存器中，最后由8位數(shù)據(jù)總線輸出轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)。

rxclk時鐘的產(chǎn)生依靠判斷起始位，在起始位’0’的中點(diǎn)產(chǎn)生，并且在檢測到結(jié)束位后停止，如圖4所示。

接收移位程序段如下：

task shift_data;

begin

rsr 《= rsr 》》 1; // 寄存器右移一位

rsr［7］ 《= rxparity; // 數(shù)據(jù)裝入rsr［7］

rxparity 《= rxstop;

rxstop 《= rx;

paritygen 《= paritygen ^ rxstop; // 產(chǎn)生奇偶比較標(biāo)志

end

endtask

由時序圖可以看到一個完整的數(shù)據(jù)幀的接收過程，hunt和idle標(biāo)志捕捉到起始位后，產(chǎn)生rxclk波特率時鐘，串行數(shù)據(jù)在rsr中移位，rsr中數(shù)據(jù)右移高位補(bǔ)零。當(dāng)起始位’0’移位到rsr［0］后，接收模塊在下一個clk上升沿返回空閑狀態(tài)，返回空閑狀態(tài)后產(chǎn)生數(shù)據(jù)移位完成中斷rxrdy，數(shù)據(jù)可從8位數(shù)據(jù)總線讀出。

3 UART綜合

程序經(jīng)仿真驗(yàn)證后，須綜合生成IP核并嵌入FPGA中。使用Xilinx公司的Xilinx ISE工具綜合UART模塊，F(xiàn)PGA選用Xilinx公司的Spartan-IIE xc2s50E，系統(tǒng)時鐘40Mhz。經(jīng)Xilinx ISE綜合后，資源使用結(jié)果如下所示，表明使用少量FPGA的Slice和LUT單元就可生成UART核。

UART核可靈活分成接收和發(fā)送兩部分，可根據(jù)需要選擇使用，節(jié)省系統(tǒng)資源；一些控制標(biāo)志字也可根據(jù)需要自行刪減和擴(kuò)充。最后將集成有UART核的FPGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與測試臺進(jìn)行異步串行通信實(shí)驗(yàn)，通信數(shù)據(jù)經(jīng)檢測表明使用UART核傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)束語

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中經(jīng)常采用UART異步串行通信接口作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的短距離串行通信。相對于傳統(tǒng)的UART芯片來說，集成在FPGA中的具有UART功能的IP核更有利于提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，縮小電路體積。本文設(shè)計(jì)的UART IP核通過仿真驗(yàn)證，經(jīng)綜合、編譯、嵌入FPGA，成功應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的端口通信中。

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