基于FPGA的UART接口开发

设计背景

串口即通用异步收发器（UART，Universal Asynchronous Receiver Transmitter）。串行通信具有传输线少、成本低、可靠性高等优点，所以系统间互联常采用RS-232接口方式，一般该接口由UART 专用芯片来实现。但UART接口芯片一般引脚较多，内含许多辅助模块和一些辅助功能，在实际使用时往往用不到这些功能，因此若采用UART专用芯片，必将使电路变得复杂，PCB面积增大，从而导致成本增加，系统的稳定性和可靠性降低。基本的UART通信只需要两条信号线（RXD和TXD），接收与发送是全双工形式，其中TXD是UART的发送端, RXD是UART的接收端。由于FPGA的功能日益强大，开发周期短、可重复编程等优点也越来越明显，可以在FPGA芯片上集成UART功能模块，从而简化电路，缩小PCB面积，提高系统可靠性。此外，FPGA的设计具有很高的灵活性，可以方便地进行升级和移植。

设计要求

本接口作为一个关于内容保护系统的电路板的一部分，主要用于和计算机进行通信，也可与其他带UART接口的电路板进行通信。对数据传输速率要求不高，传输距离也不要求很长，但传输数据要求准确可靠。该接口可用来监控电路内部状态，将FPGA内部信息通过串口输出至计算机，以达到辅助调试电路的目的。另外，电路板上的FPGA外挂有串行Flash，可通过串口对Flash进行调试，将Flash中的数据输出至计算机，并可将数据通过串口写入Flash中。简而言之，该接口是作为计算机与电路板的一个可靠的双向数据传输通道。

UART的实现原理

UART是异步通信方式，通信的发送方和接收方各自有独立的时钟，传输的速率由双方约定。本设计采用最常用的每秒9600波特的传输速度。

UART的通信协议十分简单，以低电平作为起始位，高电平作为停止位，中间可传输5～8比特数据和1比特奇偶校验位，奇偶校验位的有无和数据比特的长度由通信双方约定。一帧数据传输完毕后可以继续传输下一帧数据，也可以继续保持为高电平，两帧之间保持高电平，持续时间可以任意长。本方案采用不添加校验位的方法，以提高数据传输效率。发送端发送数据时先发一低电平，然后发送8比特数据，之后马上把信号拉高，从而完成一帧数据传送。接收端接收到低电平时开始计数，然后接收8比特信息位后如果检测到高电平即认为已接收完一帧数据，继续等待下一帧起始信号低电平的到来，若接收完8比特数据后没有检测到高电平则认为这不是一帧有效数据，将其丢弃，继续等待起始信号。时序关系如图1所示，收发可同时进行，互不干扰。

图1 RS-232接口的工作时序

硬件电路原理图及说明

一个完整的RS-232接口是一个25针的D型插头座，25针的连接器实际上只有9根连接线，所以就产生了一个简化的9针D型RS-232插头座，常用的就是一个9针的D型插头座。通常只用到一根发送信号线、一根接收信号线和一条地线，其余的振铃指示、请求传送、清除传送、准备就绪及数据载波检测等线可以做悬空处理。

RS-232标准规定逻辑1的电平为 -15～-3V，逻辑0的电平为+3～+15V。CMOS电路的电平范围一般是从0V到电源电压，FPGA的I/O输入输出电压通常为0～3.3V，为了与FPGA 供电电压保持一致，必须加电平转换芯片。选用Maxim公司的MAX3232电平转换芯片，电路原理图如图2所示。

图2 RS-232接口电路

连线采用最简单的3 线制连接模式，即只需要两根信号线和一根地线来完成数据收发。而FPGA 只需要选择两个普通I/O引脚分别与接口芯片MAX3232 对应引脚T2IN、R2OUT相连即可完成将串口电平转换为设备电路板的工作电平，即实现RS-232电平和TTL/ CMOS 电平的转换。一个MAX3232芯片可以支持两个串口的电平变换，我们选择其中的一组接口，图中的4个电阻可以省去。在电路中加入了0Ω的跳线电阻，是为了在这组接口出故障时可以方便地跳线，使用另一组接口。

软件设计

异步收发器由波特率发生器、UART接收器和UART发送器三个模块构成。采用的是每秒9600波特的传输速度，而系统提供的时钟是10MHz，这就要求进行速率变换。在实际中由于电路中存在干扰等因素，在数据边缘进行采样容易发生误判，只有在数据的中央进行采样出错的概率才能降到最低，所以使用16倍于波特率的时钟，即9600×16Hz＝15600Hz。因此波特率发生器输出的时钟频率应为15600Hz，UART 收发的每一个数据宽度都是波特率发生器输出的时钟周期的16倍，采用Altera公司芯片内部自带的锁相环可以方便地实现。UART接收器和UART发送器均采用Verilog语言编程实现。

通常使用的数据多为并行数据，为了方便与系统中其他电路互连，UART接收器的输出数据和UART发送器的输入数据均为8比特并行数据。UART接收器将串行数据接收下来并将其转化为并行数据送出，UART发送器将输入的并行数据转换为串行数据并按照UART的帧格式输出。

图3 UART接收器符号图

图3为UART接收器的符号图，其中rst为全局复位信号，rxd为串行数据输入端，baudClk16x为输入时钟，dataOut[7..0]为并行数据输出口，irq为输出数据的指示信号。首先接收器等待起始位的到来，在每个时钟上升沿检测输入数据是否为低电平，若检测到低电平，则开始计数，如果连续8个时钟内输入数据均为低电平，则认为起始信号有效，其中若有一次采样得到的为高电平则认为起始信号无效，返回初始状态重新等待起始信号的到来。认定起始信号有效后，每隔16个时钟采样一次，这样就可以保证每次都在数据的中点出采样，将采样结果送入8比特的移位寄存器，8比特数据采样结束后，间隔16个时钟采样停止位。如果采得的是高电平，则认为这帧数据有效，将移位寄存器中的数据并行送出同时将输出数据的指示信号置高，然后接收器复位，重新等待下一帧的到来；若采得的为低电平，则认为这不是一帧有效数据，不将移位寄存器中的数据输出，直接返回初始状态。

图4 UART发送器符号图

图4 为UART发送器的符号图，其中flag为输入数据指示信号，rst为全局复位信号，clkin为输入时钟，din[7..0]为并行数据输入端，tdo为串行数据输出端。接收器在每个时钟的上升沿检测输入数据指示信号，若检测到其为高电平，则将并行输入数据锁存入内部的8比特移位寄存器，接下来先送出一个低电平并保持16个时钟，然后每隔16个时钟将移位寄存器中的数据移出一位，最后送出高电平，返回初始状态。

系统调试

UART接收器和发送器可根据实际需要单独使用，但在调试时为了方便，将两者对接起来，如图5所示。UART接收器的输出与UART发送器的输入相连，复位信号和时钟信号共用，时钟信号由片外晶振提供，输入FPGA后通过锁相环转换为需要的频率。

图5 调试系统模块图

串口的调试需要借助于串口调试工具，可以用VC编程实现，也可以直接使用网上已有的调试工具。直接选用网上的串口调试助手进行了测试，将数据从计算机送出，经过UART接口接收后再送回计算机。经过长达数十分钟的不间断接收和发送后，将送回计算机的数据与原始数据进行比较，多次测试均没有发生任何错误，这充分说明了这一UART接口程序具有高度的可靠性和稳定性，可以满足设计要求。

结束语

用FPGA 来对UART接口进行开发，可以减小系统的PCB面积，降低系统的功耗，提高设计的稳定性和可靠性，并可以充分利用了FPGA 的剩余资源。综合报告显示这一UART接口部分仅消耗了68 个逻辑单元，对于FPGA来说，这点资源实在是微不足道的，用如此少的资源就可以为系统增添一条新的数据通道，这是十分值得的。该设计具有很大的灵活性，虽然这一UART接口工作在每秒9600波特，但通过调整锁相环的参数，就可以使其工作在其他频率，十分方便。这仅仅是一个简单的通信接口，可根据不同系统的需要，增加FIFO等内容。该模块也可以作为一个完整的IP核，灵活地移植进各种型号的FPGA中，通用性很强。