基于FPGA的UART模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉　博

(航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽 471000)

0　引言

在計(jì)算機(jī)通信過程中，如果計(jì)算機(jī)與外設(shè)直接相連，它們之間的信息交換會(huì)存在不匹配的問題，表現(xiàn)在速度、信息類型和數(shù)據(jù)格式等方面[1]。為解決這個(gè)問題，需要設(shè)計(jì)一個(gè)信息交換的中間接口。通用異步收發(fā)器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)就是其中一個(gè)常用的物理接口，用于計(jì)算機(jī)與鼠標(biāo)、打印機(jī)等串行外設(shè)或其他使用串行協(xié)議的設(shè)備之間的信息交換。

UART接口在計(jì)算機(jī)和外設(shè)的通信中完成兩方面的工作：① 電路板的工作電平和串口電平的轉(zhuǎn)換，功能實(shí)現(xiàn)采用的專用芯片有MAX232等；② 通信過程中計(jì)算機(jī)的并行數(shù)據(jù)和外設(shè)的串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，專用芯片有8250和8251等。

隨著對(duì)不同型號(hào)飛機(jī)產(chǎn)品上的電路板研究工作的深入，發(fā)現(xiàn)UART接口功能的實(shí)現(xiàn)方法也有了轉(zhuǎn)變。帶有80C186處理器的電路板，其串口通信往往通過8251A/B芯片來實(shí)現(xiàn)，隨著航空電子技術(shù)的發(fā)展，電路板的集成度越來越高，電路板上BGA器件越來越多，串口通信功能的實(shí)現(xiàn)多是將UART模塊集成在CPU里面，8251系列芯片在這些電路板上不再出現(xiàn)[2]。選擇專門的UART芯片，如8250、8251等來進(jìn)行串口通信，往往只用到這些芯片的基本功能，使用這些芯片會(huì)造成很大的資源浪費(fèi)，而且芯片的數(shù)據(jù)傳輸速率慢并有不可移值的特點(diǎn)[3]。而選擇集成有UART模塊的處理器，不但簡(jiǎn)化了電路，還在一定程度上增加了系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

本文探討的內(nèi)容更進(jìn)一層，現(xiàn)階段FPGA在電路板上的應(yīng)用越來越廣泛，與其他數(shù)字系統(tǒng)的串行通信需求也在增加[4]。雖然大部分處理器集成了UART模塊，而多數(shù)FPGA芯片不具備這個(gè)特點(diǎn)。通過硬件描述語言將UART的功能集成在FPGA上，將方便后續(xù)FPGA與處理器或者其他設(shè)備的串口通信[5]。

1　UART模塊設(shè)計(jì)

異步通信傳輸?shù)膸袷揭话銥槠鹗嘉?位，數(shù)據(jù)位為5～8位，奇偶校驗(yàn)位可選奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)或無校驗(yàn)，停止位為1位、1.5位或2位[5]。UART的數(shù)據(jù)幀格式如圖1所示。

為了加快開發(fā)進(jìn)程，本文沒有設(shè)置奇偶校驗(yàn)位。采用的數(shù)據(jù)幀格式為1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗(yàn)位，1位停止位。通信接口標(biāo)準(zhǔn)選擇RS-232，全雙工通信方式，波特率設(shè)置為9 600 bps。在整體設(shè)計(jì)中，采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)接收器模塊、發(fā)送器模塊以及波特率模塊[6]。

圖1　UART數(shù)據(jù)幀格式

1.1　頂層模塊設(shè)計(jì)

頂層模塊設(shè)計(jì)在整個(gè)模塊化設(shè)計(jì)中起著關(guān)鍵作用，需要設(shè)計(jì)者對(duì)設(shè)計(jì)總體進(jìn)行綜合與布局，充分發(fā)揮模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。頂層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了串口收發(fā)通信功能，這其中不包含任何邏輯設(shè)計(jì)，將會(huì)方便以后進(jìn)行維護(hù)和移植操作[7]。

頂層模塊Verilog主要代碼及注釋如下：

module UART(

input clk， ∥50 MHz

input rst_n，∥低電平復(fù)位信號(hào)

input uart_rx，∥串口接收端

output uart_tx∥串口發(fā)送端

)；

wire[7：0] rx_data_sig；

wire rx_flag_sig；

UART_RXUART_RX_Inst(

.clk(clk)，∥50 MHz

.rst_n(rst_n)，∥低電平復(fù)位信號(hào)

.uart_rx(uart_rx)，∥串口接收端

.rx_data(rx_data_sig)，∥串口接收到的一字節(jié)數(shù)據(jù)

.rx_flag(rx_flag_sig)∥接收數(shù)據(jù)中斷信號(hào)，接收數(shù)據(jù)期間始終為高電平

)；

regen_tx；

reg[7：0]tx_data_reg；

wire en_tx_sig=en_tx；

wire[7：0] tx_data_sig=tx_data_reg；

wire tx_flag_sig；

UART_TXUART_TX_Inst(

.clk(clk)，∥50 MHz

.rst_n(rst_n)，∥低電平復(fù)位信號(hào)

.en_tx(en_tx_sig)，∥使能串口發(fā)送，高有效

.tx_data(tx_data_sig)，∥串口發(fā)送的一字節(jié)數(shù)據(jù)

.uart_tx(uart_tx)，∥串口發(fā)送端

.tx_flag(tx_flag_sig)∥串口發(fā)送標(biāo)志位，串口在發(fā)送期間一直為高電平

)；

……

endmodule

1.2　波特率模塊設(shè)計(jì)

波特率是每秒傳輸二進(jìn)制代碼的位數(shù)，是數(shù)據(jù)傳送速率的一種度量，單位為bps。假設(shè)一個(gè)字符是10位(包含1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)停止位)，每秒傳送960個(gè)字符，那么波特率就是：10位×960個(gè)/s=9 600 bps。異步串行通信中波特率通常設(shè)置為9 600 bps、19 200 bps和38 400 bps等。

設(shè)計(jì)波特率時(shí)鐘的基本思路就是設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)數(shù)器[8]。設(shè)計(jì)時(shí)首先設(shè)定好波特率，電路板上的晶振頻率CLK是已知量，需要算出分頻因子。這里將分頻因子設(shè)為BPS_PARA，計(jì)算公式為：

波特率分頻因子BPS_PARA=CLK/波特率。

(1)

為保證在每位數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹虚g時(shí)刻采樣，根據(jù)分頻因子，設(shè)計(jì)占空比為50%的采樣時(shí)鐘[9]。具體做法為計(jì)數(shù)到BPS_PARA/2時(shí)輸出高電平，再計(jì)數(shù)到BPS_PARA/2時(shí)輸出低電平。

本文系統(tǒng)時(shí)鐘為50 MHz，要求波特率是9 600 bps，則波特率分頻因子BPS_PARA=50 M/9 600=5 208，則計(jì)數(shù)器取5 208/2=2 604時(shí)，計(jì)數(shù)器溢出時(shí)輸出電平取反就可以得到約定波特率時(shí)鐘。

波特率模塊Verilog主要代碼及注釋如下：

module Baud_Rate_Generator(

input clk，∥50 MHz

input rst_n，∥低電平復(fù)位信號(hào)

input start，∥波特率使能信號(hào)

output reg sampling_clk∥數(shù)據(jù)采樣時(shí)鐘

)；

Define BPS_PARA5208∥波特率為9600 bps時(shí)的分頻因子

Define BPS_PARA_22604∥波特率為9600 bps時(shí)的分頻因子值的一半，采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)

reg[12：0] cnt；

/*設(shè)置使能信號(hào)，已知波特率和系統(tǒng)時(shí)鐘，設(shè)計(jì)波特率時(shí)鐘*/

always @(posedge clk or negedge rst_n)

begin

if(!rst_n)

cnt <=′d0；

else if((cnt==′BPS_PARA)||!start)

cnt <=′d0；

else

cnt <= cnt+1′b1；∥

end

always @(posedge clk or negedge rst_n)

begin

if(!rst_n)

sampling_clk <=1′b0；

else if(cnt==BPS_PARA_2)

sampling_clk <=1′b1；

else sampling_clk <=1′b0；

end

endmodule

1.3　接收器模塊設(shè)計(jì)

接收模塊的設(shè)計(jì)方法是當(dāng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)幀的起始位時(shí)，使能波特率發(fā)生器和移位寄存器，開始采集數(shù)據(jù)，接著對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，最后按照時(shí)序?qū)⒓拇嫫髦械臄?shù)據(jù)輸出[10]。

設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是檢測(cè)數(shù)據(jù)幀的起始位。通常情況下每一幀的數(shù)據(jù)傳送之前，傳輸線處于邏輯高電平狀態(tài)，為“1”，一旦檢測(cè)變?yōu)椤?”時(shí)，可視為一幀數(shù)據(jù)起始位的到來。然而，通信線上的噪音也極有可能使邏輯1跳變到邏輯0，這樣就不能保證通信雙方交換信息的準(zhǔn)確性。本文采用下降沿的檢測(cè)來濾掉通信線上噪音的干擾[11]。設(shè)置了neg_uart_rx對(duì)發(fā)送器數(shù)據(jù)由1跳變0的情況進(jìn)行檢測(cè)，確定輸入由1到0，經(jīng)過8個(gè)sampling_clk周期，才認(rèn)為是正常的起始位，而不是噪音引起的。捕捉到起始位后，將neg_uart_rx置1。

采到正確的起始位后，開始接收數(shù)據(jù)，當(dāng)采樣計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)結(jié)束后所有數(shù)據(jù)位都已經(jīng)輸入完成。程序中設(shè)置接收數(shù)據(jù)標(biāo)志位rx_flag，接收數(shù)據(jù)期間rx_flag始終為高電平，一幀數(shù)據(jù)接收完成后，rx_flag置低，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到數(shù)據(jù)寄存器rx_data [7：0]中以便輸出。

接收器模塊部分Verilog代碼及注釋如下：

module UART_RX(

input clk，∥50 MHz

input rst_n，∥低電平復(fù)位信號(hào)

input uart_rx，∥串口接收端

output reg[7：0] rx_data，∥串口接收到的一字節(jié)數(shù)據(jù)

output reg rx_flag∥接收數(shù)據(jù)標(biāo)志位，接收時(shí)高電平，接收完畢低電平

)；

reg[3：0] num；∥移位次數(shù)

reg[7：0] rx_data_temp；∥當(dāng)前接收數(shù)據(jù)寄存器

reg uart_rx0，uart_rx1，uart_rx2，uart_rx3；∥接收數(shù)據(jù)寄存器，濾波用

reg start_bps；∥接收到數(shù)據(jù)后，波特率時(shí)鐘啟動(dòng)信號(hào)置位

wire start_bps_sig=start_bps；

wiresampling_clk； ∥數(shù)據(jù)采樣時(shí)鐘

/*濾掉通信信號(hào)線上的噪音*/

always@(posedge clk or negedge rst_n)

begin

if(!rst_n)

begin

uart_rx0 <=1′b0；

uart_rx1 <=1′b0；

uart_rx2 <=1′b0；

uart_rx3 <=1′b0；

end

else

begin

uart_rx0 <=uart_rx；

uart_rx1 <=uart_rx0；

uart_rx2 <=uart_rx1；

uart_rx3 <=uart_rx2；

end

end

∥數(shù)據(jù)線接收到下降沿時(shí)，neg_uart_rx為一個(gè)時(shí)鐘周期的高電平

wire neg_uart_rx=uart_rx3 & uart_rx2 & ～uart_rx1 & ～uart_rx0；

/*接收數(shù)據(jù)控制和數(shù)據(jù)接收部分*/

always@(posedge clk or negedge rst_n)

begin

if(!rst_n)

begin

start_bps <=1′b0；

rx_flag <=1′b0；

end

else if(neg_uart_rx)∥檢測(cè)uart_rx的下降沿信號(hào)

begin

start_bps <=1′b1；

rx_flag <=1′b1；∥開始接收數(shù)據(jù)

end

else if(num==′d10) ∥一個(gè)字符接收完成

begin

start_bps <=1′b0；

rx_flag <=1′b0；∥數(shù)據(jù)接收完畢

end

end

always @(posedge clk or negedge rst_n)

begin

if(!rst_n)

begin

num <=4′d0；

rx_data<=′dz；

rx_data_temp <=′d0；

end

else if(rx_flag) ∥接收數(shù)據(jù)處理

begin

if(sampling_clk)

begin∥讀取并保存數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)為1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1個(gè)結(jié)束位

num <= num+1′b1；

case (num)

′d1： rx_data_temp[0] <=uart_rx；

′d2： rx_data_temp[1] <=uart_rx；

′d3： rx_data_temp[2] <=uart_rx；

′d4： rx_data_temp[3] <=uart_rx；

′d5： rx_data_temp[4] <=uart_rx；

′d6： rx_data_temp[5] <=uart_rx；

′d7： rx_data_temp[6] <=uart_rx；

′d8： rx_data_temp[7] <=uart_rx；

default： ；

endcase

end

else if(num ==′d10)

begin

num <=′d0；

rx_data <= rx_data_temp；∥把數(shù)據(jù)鎖存到數(shù)據(jù)寄存器rx_data中

end

end

end

endmodule

1.4　發(fā)送器模塊設(shè)計(jì)

UART發(fā)送器的工作過程與接收器的工作過程相反，它將8位數(shù)據(jù)進(jìn)行并行到串行的轉(zhuǎn)換，同時(shí)加載上起始位和停止位，數(shù)據(jù)加載完成后重置波特率發(fā)生器，移位寄存器每隔一個(gè)發(fā)送周期按照幀格式及速率輸出數(shù)據(jù)[12]。

在本程序中tx_data[7:0]就是要發(fā)送出去的并行數(shù)據(jù)。接收到數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送標(biāo)志位tx_flag為邏輯高電平狀態(tài)，數(shù)據(jù)接收完成后，tx_flag置為低電平，啟動(dòng)串口發(fā)送端uart_tx發(fā)送相應(yīng)的串行數(shù)據(jù)。

發(fā)送器模塊部分Verilog主要代碼及注釋如下：

module UART_TX(

input clk，∥50 MHz

input rst_n，∥低電平復(fù)位信號(hào)

input en_tx，∥使能串口發(fā)送，高有效

input[7：0] tx_data，∥串口發(fā)送的一字節(jié)數(shù)據(jù)

output reg uart_tx，∥串口發(fā)送端

output reg tx_flag∥串口發(fā)送標(biāo)志位，串口在發(fā)送期間一直為高電平

)；

reg[7：0] tx_data_temp；∥待發(fā)送數(shù)據(jù)的寄存器

reg start_tx；∥發(fā)送數(shù)據(jù)使能信號(hào)，高有效

reg[3：0] num；∥移位次數(shù)

regstart_bps；∥波特率時(shí)鐘啟動(dòng)信號(hào)置位

wire start_bps_sig=start_bps；

wire sampling_clk； ∥數(shù)據(jù)采樣時(shí)鐘

/*控制發(fā)送和更新發(fā)送數(shù)據(jù)*/

always@(en_tx or rst_n)

begin

if(!rst_n)

begin

start_bps <=1′b0；

start_tx<=1′b0；

tx_data_temp <=8′d0；

end

else if(en_tx==1′b1)∥使能串口發(fā)送

begin

start_bps<=1′b1；∥開啟波特率采樣

start_tx<=1′b1；∥開啟發(fā)送

tx_data_temp <=tx_data； ∥把接收到的數(shù)據(jù)存入發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器

end

else

begin

start_bps <=1′b0；

start_tx<=1′b0；

tx_data_temp <=tx_data； ∥把接收到的數(shù)據(jù)存入發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器

end

end

/*發(fā)送數(shù)據(jù)*/

always@(posedge clk or negedge rst_n)

begin

if(!rst_n)

begin

num <=′d0；

uart_tx <=1′b1；

tx_flag <=1′b0；

end

else if(start_tx)

begin

if(num < 4′d11)

begin

tx_flag <=1′b1；∥進(jìn)入發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)中

if(sampling_clk)

begin

num <= num+1′b1；

case(num)

4′d0： uart_tx <=1′b0；

4′d1： uart_tx <=tx_data[0]；

4′d2： uart_tx <=tx_data[1]；

4′d3： uart_tx <=tx_data[2]；

4′d4：uart_tx <=tx_data[3]；

4′d5： uart_tx <=tx_data[4]；

4′d6： uart_tx <=tx_data[5]；

4′d7：uart_tx <=tx_data[6]；

4′d8：uart_tx <=tx_data[7]；

4′d9： uart_tx <=1′b1；

default： uart_tx <=1′b1；

endcase

end

end

else if(num==4′d11)

tx_flag<=1′b0；∥從低位到高位發(fā)送結(jié)束

end

else

num<=4′d0；∥復(fù)位

end

endmodule

2　UART模塊的仿真及下載驗(yàn)證

2.1　UART模塊的時(shí)序仿真

一般時(shí)序仿真是必選步驟，它是在QuartusⅡ中通過綜合、布局布線，將各種延時(shí)信息考慮在內(nèi)后進(jìn)行的仿真，能夠驗(yàn)證邏輯代碼的時(shí)序情況及實(shí)際電路的運(yùn)行情況，保證設(shè)計(jì)的可靠性[13]。本文采用仿真軟件為ModelSim，QuartusⅡ開發(fā)軟件給其預(yù)留了接口，發(fā)送/接收數(shù)據(jù)時(shí)UART仿真波形圖如圖2和圖3所示。

圖2　發(fā)送器模塊的時(shí)序仿真

圖3　接收器模塊的時(shí)序仿真

從圖2可以看出，tx_data是將要發(fā)送出去的并行數(shù)據(jù)，uart_tx是發(fā)送出去的串行數(shù)據(jù)。當(dāng)前要發(fā)送的數(shù)據(jù)序列為53H(01010011b)。由起始位開始發(fā)送，信息數(shù)據(jù)位由低位到高位逐位進(jìn)行發(fā)送，采集完成8位數(shù)據(jù)位之后，就進(jìn)行停止位的采集，停止位為1?？梢钥吹絬art_tx的輸出波形為：起始位為0，數(shù)據(jù)位為“1”“1”“0”“0”“1”“0”“1”“0”，停止位為“1”。說明發(fā)送器模塊的設(shè)計(jì)正確。

從圖3可以看出，uart_rx是待接收的串行數(shù)據(jù)，tx_data是接收到的并行數(shù)據(jù)。系統(tǒng)復(fù)位后，首先檢測(cè)起始位，對(duì)uart_rx進(jìn)行下降沿的檢測(cè)，檢測(cè)到下降沿，并經(jīng)過8個(gè)sampling_clk時(shí)鐘采樣周期后，表明起始位到來，開始接收數(shù)據(jù)，觀察uart_rx波形，起始位為“0”，數(shù)據(jù)位由低位到高位，依次為“1”“0”“1”“1”“1”“0”“1”“1”，采集完成8位數(shù)據(jù)位之后，就進(jìn)行停止位的采集，停止位為“1”。觀察rx_data存儲(chǔ)的并行數(shù)據(jù)為11011101b，證明接收器模塊的設(shè)計(jì)正確。

2.2　UART模塊的硬件下載驗(yàn)證

經(jīng)ModelSim仿真驗(yàn)證確認(rèn)了UART功能模塊設(shè)計(jì)無誤后，還需將程序下載到電路板上的目標(biāo)器件中進(jìn)行硬件驗(yàn)證以作進(jìn)一步的確認(rèn)[14]。實(shí)驗(yàn)板上使用的是Cyclone系列EP2C5T144C8N芯片，配有復(fù)位按鍵、電源指示燈和LED控制燈，引入50 MHz的有源晶振，下載口使用AS配置口，供電電壓為5 V，使用電腦的USB口供電。

使用Quartus Ⅱ軟件將編譯好的POF格式文件通過USB-Blaster下載到EP2C5T144C8N的配置芯片EPS4中。在本次板級(jí)驗(yàn)證中選用串口通信調(diào)試助手sscom3.2，如圖4所示，設(shè)置波特率為9 600，數(shù)據(jù)位為8，停止位為1，校驗(yàn)位為none，流控制為none。在sscom3.2的字符輸入框中輸入53 4d，選擇隨機(jī)手動(dòng)發(fā)送輸入數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)窗口顯示了所發(fā)送的有效數(shù)據(jù)53 4d，異步串行通信是正常的，證明本次模塊設(shè)計(jì)是正確的。

圖4　板級(jí)下載驗(yàn)證

3　結(jié)束語

本文采用Verilog HDL語言在FPGA上實(shí)現(xiàn)了UART的功能，可以有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。用軟件的方法實(shí)現(xiàn)了硬件的功能，有效地減少了系統(tǒng)的pcb面積，降低了系統(tǒng)的功耗，提高了設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和可移植性。

[1]吳厚航.深入淺出玩轉(zhuǎn)FPGA[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

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[5]謝謝.基于FPGA的UART設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2016，20(16)：51-53.

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