基于FPGA的通用异步收发器设计

摘要：采用Verilog HDL语言作为硬件功能的描述，运用模块化设计方法分别设计了通用异步收发器(UART)的发送模块、接收模块和波特率发生器，并结合现场可编程门阵列(FPGA)的特点，实现了一个可移植的UART模块。该设计不仅实现了串行异步通信的主要功能，而且电路简单，工作稳定、可靠，可以将其灵活地嵌入到各个通信系统中。
关键词：通用异步收发器；现场可编程门阵列；Verilog HDL；串行通信

    串行通信要求的传输线少，可靠性高，传输距离远，被广泛应用于计算机和外设的数据交换。通常都由通用异步收发器(UART)来实现串口通信的功能。在实际应用中，往往只需要UART的几个主要功能，专用的接口芯片会造成资源浪费和成本提高。随着FPGA／CPLD的飞速发展与其在现代电子设计中的广泛应用，FPGA／CPLD功能强大、开发过程投资小、周期短、可反复编程、保密性好等特点也越来越明显。因此可以充分利用其资源，在芯片上集成UART功能模块，从而简化了电路、缩小了体积、提高了可靠性，而且设计时的灵活性更大，周期更短。鉴于此本文提出了一种采用FPGA实现UART功能的方法，可以有效地解决上述问题。

1 UART的工作原理
    UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter，通用异步收发器)是广泛使用的异步串行数据传输协议。在串行通信中，数据以字节为单位的字节帧进行传送。发送端和接收端必须按照相同的字节帧格式和波特率进行通信。UART控制器所传输的一帧串行数据包括1位起始位(低电平)、5～8位数据位、1位校验位(可选)和停止位(可为1，1．5，2位)。起始位是字节帧的开始，使数据线处于逻辑0状态，用于向接收端表明开始发送数据帧，起到使发送和接收设备实现同步的功能。停止位是字节帧的终止，使数据线处于逻辑1状态。用于向接收端表明数据帧发送完毕。波特率采用标准速率9 600 b／s。数据在传输时，低位在前，高位在后。接收端检测并确认起始位后，接收数据位。停止
位接收完毕后，向CPU发出中断信号，同时将数据发送到计算机的8位数据总线上；发送数据时，先由CPU设置波特率，然后将8位并行数据加上起始位和停止位发送给外设。停止位发送完毕后，向CPU发出中断信号。在数据发送和接收过程中，CPU可以通过控制信号来读取UART的工作状态，以便进行实时处理。

2 UART的模块化设计
2．1 系统总体结构
    在大规模电路的设计中，广泛采用层次化、结构化的设计方法。它将一个完整的硬件设计任务从系统级开始，划分为若干个可操作的模块，编制出相应的模型并进行仿真验证，最后在系统级上进行组合。这样在提高设计效率的同时又提高了设计质量，是目前复杂数字系统实现的主要手段，也是本文设计思想的基础。按照系统功能进行划分，UART主要由波特率发生器、接收模块和发送模块三大部分组成。在Maxp-lusⅡ仿真环境下，由各个子模块进行综合的系统总模块如图1所示。下面分别讨论发送模块、接收模块和波特率发生器模块的具体实现过程。

2．2 发送模块
2．2．1 发送模块及其功能
    发送模块主要实现对并行数据的缓存、并串转换，并把串行数据按照既定数据帧格式进行输出。发送模块的引脚如图2所示，各引脚功能见表1。

    由CPU送来的待发送的并行数据，首先写入发送缓冲器TBR[7．．0]。发送缓冲区中有数据待发送时，数据自动装入移位寄存器TSR[7．．0]并自动完成串行数据的发送。首先传送一位起始位0，然后根据帧结构中定义的数据长度，分别串行移出TSR[7．．0]中的数据，数据的低位在前，高位在后。当没有数据发送的时候，SDO管脚保持高电平。
2．2．2 发送模块功能仿真
    发送器功能仿真结果如图3所示。二进制数11110000从引脚DIN[7．．0]并行输入，当WRN为0时，启动发送程序，计数器开始计数，使发送器将并行数据锁存到发送缓冲器TBR[7．．0]，并通过发送移位寄存器TSR[7．．0]逐位移位发送串行数据至串行数据输出端SDO。在数据发送过程中用输出信号TBRE，TSRE作为标志信号。当一帧数据由发送缓冲器TBR[7．．0]送到发送移位寄存器TSR[7．．0]时，TBRE信号为1。由发送数据缓冲器传给发送移位寄存器主要由信号TSRE控制。当TSRE为1时，表示发送移位寄存器TSR[7．．0]串行发送完毕；为0时表示还没有发送完一帧数据。由仿真结果验证了发送模块的正确性。

2．3 接收模块
2．3．1 接收模块及其功能
    接收模块的作用是把收到的串行数据转换成并行数据进行输出，并判断收到的数据是否有错。接收模块的引脚如图4所示，各引脚功能见表2。

    接收器进入准备接收数据状态，不断监视串行输入线RXD端，如果出现低电平，立刻启动起始位检测电路进行确认，一旦确认为接收到正确的起始位，则以波特率作为采样时钟，对每个数据位的中间位置采样一次，并把采样到的信息以移位方式送人接收移位寄存器RSR。接收到一帧数据位后，把串行数据转化成并行数据，并进行奇偶校验、停止位、中止态的检查。接收完毕后，DAT_READ置1。
2．3．2 接收模块功能仿真
    接收模块功能仿真结果如图5所示。二进制数11101010从引脚RXD串行输入，接收器先要捕捉起始位，在RDN信号为0条件下，启动接收程序，计数器开始计数，数据从RXD[7．．0]串行输入，由接收移位寄存器RSR[7．．0]逐位移位接收，并在接收完成时传送给接收缓冲寄存器RBR[7．．0]，最后接收缓冲寄存器RBR[7．．0]将接收的数据传送至DOUT[7．．0]，由它并行输出，同时输出一个接收数据准备好信号DATA _RE标志数据接收完毕。

2．4 波特率发生器模块
2．4．1 波特率发生器模块及其功能
    波特率发生器模块主要用于产生接收模块和发送模块的时钟频率，其实质就是一个分频器，可以根据给定的系统时钟频率和要求的波特率算出波特率分频因子，作为分频器的分频数。波特率发生器产生的时钟频率CLK16X不是波特率时钟频率CLK，而是波特率时钟频率CLK的16倍。波特率发生器模块的引脚如图6所示，其功能如表3所示。

2．4．2 波特率发生器功能仿真
    UART在发送或接收数据时，使用的时钟信号频率f是波特率(b=9 600 b／s)的16倍，由外部系统时钟进行16分频得到。UART每16个波特时钟发送或接收一个二进制位，设计中采用的晶振频率c=25 MHz，那么波特率发生器输出的时钟信号周期为：
   
    波特率发生器的功能仿真如图7所示。

    本设计用晶振为25 MHz，由公式可得出输出波形的半个周期应为k／2，即81倍的输入时钟周期，仿真结果验证了波特率发生器模块的正确性。

3 结语
    UlART是广泛使用的串行数据通信电路，因其要求的传输线少，可靠性高，传输距离远，所以系统间互联常采用异步串行通信接口方式。本文用Verilog HDL语言，结合有限状态机的设计方法实现了UART的功能，将其核心功能集成到FPGA上，使整体设计紧凑、小巧，实现的UART功能稳定、可靠；同时，利用有限状态机的方法具有结构模式直观简单，设计流程短，程序层次分明，易综合，可靠性高等优点，必将在EDA技术中发挥重要作用。