基于FPGA的多串口傳輸電路設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

顏世威 馮沖 施展

摘要：本文基于FPGA設(shè)計(jì)了一組串口電路系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)微控制器的串行數(shù)據(jù)通信接口的擴(kuò)展需求。為驗(yàn)證該串口電路系統(tǒng)的功能，還基于單片機(jī)STC12C5A60S2設(shè)計(jì)了手機(jī)遙控MP3音頻播放系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)試，單片機(jī)利用FPGA串口電路可控制MP3音樂(lè)播放，證明FPGA串口電路實(shí)現(xiàn)控制指令傳輸功能。該工作為單片機(jī)的多串口擴(kuò)展提供依據(jù)，促進(jìn)單片機(jī)系統(tǒng)方案的多樣性。

關(guān)鍵詞：FPGA;VERILOG;UART;MP3

中圖分類號(hào)：TN79+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）09-0134-03

0 引言

如今，單片機(jī)已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用，如科研事業(yè)，醫(yī)療設(shè)備，教育事業(yè)甚至于人們?nèi)粘Ｊ褂玫募矣秒娖鞯萚1]。串行口是單片機(jī)中一種常用的利用串行通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぞ?，它具有很多?yōu)越的性能，如對(duì)硬件資源的占用率較低、通信成本可以得到控制、通信設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單、便于維護(hù)等。因此，單片機(jī)系統(tǒng)中均配備串口資源供開發(fā)者使用[2]。但是，通常的單片機(jī)串口資源數(shù)量不多[3-4]。以STM32F4系列單片機(jī)為例，其家族成員擁有串口最多的也只有4-5個(gè)[5]，導(dǎo)致在一些需要大量串口的項(xiàng)目開發(fā)中得不到有效的硬件支持。針對(duì)這一問(wèn)題，本文基于FPGA設(shè)計(jì)了一組串口電路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)微控制器的串行數(shù)據(jù)通信接口的擴(kuò)展需求。其中，串口利用verilog語(yǔ)言在Xilinx芯片XC7A100TFGG484-1中實(shí)現(xiàn)，并搭建STC12C5A60S2單片機(jī)為控制器的音頻播放系統(tǒng)對(duì)串口系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試。

1 FPGA串口通信模塊設(shè)計(jì)

1.1 FPGA串口模塊框架

本設(shè)計(jì)采用依元素科技有限公司的Minisys實(shí)驗(yàn)板為硬件平臺(tái)，其核心芯片為Xilinx Artix-7TM系列FPGA（XC7A100T FGG484C-1）為主芯片[6]。串口電路設(shè)計(jì)采用Verilog語(yǔ)言編寫，并在Vivado環(huán)境中進(jìn)行仿真和綜合。

如圖1所示，1對(duì)1形式的uart擴(kuò)展電路包括兩個(gè)uart設(shè)計(jì)單元，在FPGA內(nèi)部?jī)蓚€(gè)uart單元的TX和RX信號(hào)是交叉連接的。每個(gè)uart單元采用FIFO、波特率發(fā)生電路及相應(yīng)的控制信號(hào)電路（如en、rst等）構(gòu)成，為了便于測(cè)試還設(shè)置了數(shù)碼管顯示單元。

1對(duì)多形式的uart擴(kuò)展電路如圖2所示，左側(cè)uart負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)，右側(cè)uart負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)，通過(guò)增加右側(cè)uart單元的數(shù)量，可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 uart模塊設(shè)計(jì)

uart模塊是通過(guò)調(diào)用vivado中IP核中的2個(gè)FIFO做出的串口。如圖3所示，uart通過(guò)rx_pin接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于左側(cè)FIFO中，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過(guò)tx_send_data存儲(chǔ)于右側(cè)FIFO中，再經(jīng)tx_out發(fā)送出去。其余的buf信號(hào)、非空信號(hào)、使能信號(hào)等信號(hào)是多個(gè)uart互相連接，實(shí)現(xiàn)串口拓展所使用的功能信號(hào)。

此外，為了方便測(cè)試，另設(shè)計(jì)了sig模塊和data_show模塊。sig模塊主要用來(lái)對(duì)信號(hào)做定義、檢測(cè)，內(nèi)部分為五部分，分別是總復(fù)位，總使能，波特率生成模塊，高低電平檢測(cè)模塊，還有數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收模塊。該模塊會(huì)檢測(cè)rst、en、rx_pin、get_btn、send_btn五個(gè)引腳的電平。當(dāng)檢測(cè)到rst為高電平時(shí)系統(tǒng)復(fù)位，en為高電平系統(tǒng)才會(huì)運(yùn)行，rx_pin為高電平說(shuō)明有數(shù)據(jù)進(jìn)入uart，get_btn為高電平數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器，send_btn為高電平數(shù)據(jù)經(jīng)tx_pin發(fā)送出去。data_show 模塊連接了FPGA實(shí)驗(yàn)板上的數(shù)碼管，可以將uart發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管上，以便電路系統(tǒng)的調(diào)試。

2 UART測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)試系統(tǒng)框圖

為了對(duì)UART的數(shù)據(jù)傳輸功能進(jìn)行測(cè)試，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)手機(jī)遙控音頻播放系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用單片機(jī)解碼通過(guò)藍(lán)夜接收的遙控指令，并利用串口控制音樂(lè)播放單元完成音樂(lè)播放，其中串口控制電路通過(guò)UART擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)控制多個(gè)音樂(lè)播放模塊同時(shí)播放音樂(lè)，如圖4所示。

2.2 測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 單片機(jī)擴(kuò)展接口設(shè)計(jì)

該模塊采用STC12C5A60S2單片機(jī)，此單片機(jī)具有兩個(gè)串口，分別是P3.0、P3.1和P3.6、P3.7，利用串口P3.0、P3.1連接藍(lán)牙模塊獲取手機(jī)遙控指令，串口P3.6、P3.7用于連接UART擴(kuò)展電路，實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的數(shù)據(jù)傳輸。

音樂(lè)播放采用MP3-TF-16P模塊實(shí)現(xiàn)，該模塊通過(guò)串口接收音樂(lè)播放、音量調(diào)整、樂(lè)曲調(diào)整等指令，模塊中安裝的TF卡用于存儲(chǔ)播放的應(yīng)用，音樂(lè)類型包括MP3、WAV、WMA。模塊有兩種讀取方式：一種是讀文件地址（按存放順序，只限于根目錄），一種是讀文件名字（只要按芯片要求來(lái)命名歌曲名字，限于文件夾）。在本次設(shè)計(jì)中我們選用第一種讀取方式。將模塊RX、TX接至PCB板上跳線端子，利用短接帽與FPGA拓展出的串口連接。

藍(lán)牙無(wú)線傳輸模塊采用的是HC-05主從一體藍(lán)牙，該模塊用于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)控制器之間的數(shù)據(jù)通信。手機(jī)與主藍(lán)牙模塊連接發(fā)送指令，從藍(lán)牙模塊與另一塊單片機(jī)連接接收指令。利用手機(jī)與藍(lán)牙配對(duì)實(shí)現(xiàn)智能互聯(lián)，可以通過(guò)手機(jī)APP發(fā)送指令，藍(lán)牙將接收到的指令發(fā)送給微控制器，控制MP3模塊播放音樂(lè)。我使用該模塊通過(guò)AT指令將藍(lán)牙配置為從模式任意地址連接，上電后就可以通過(guò)手機(jī)的藍(lán)牙串口助手連接了。

2.2.2 單片機(jī)系統(tǒng)原理圖

根據(jù)上述要求設(shè)計(jì)得到測(cè)試系統(tǒng)原理圖如圖5所示，焊接完成后實(shí)物圖如圖6所示。

2.3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)主程序里有三個(gè)子函數(shù)，分別為串口初始化函數(shù)Sys_Init，延時(shí)函數(shù)delay_Nms和數(shù)據(jù)發(fā)送程序HC05Action。通過(guò)一個(gè)while循環(huán)，不斷調(diào)用HC05Action（）子程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)掃描傳輸功能。程序框圖如圖7所示。

3 系統(tǒng)調(diào)試

串口通信模塊搭建完成后，通過(guò)vivado仿真器對(duì)其進(jìn)行仿真測(cè)試結(jié)果如圖8所示，可以看到該模塊運(yùn)轉(zhuǎn)正常，各參數(shù)同仿真文件內(nèi)設(shè)定一致。

將串口通信模塊通過(guò)CH340與電腦串口調(diào)試助手連接，實(shí)際測(cè)試串口模塊正常。

將串口通信模塊和UART測(cè)試系統(tǒng)連接后實(shí)物圖如圖9所示，電壓大小符合識(shí)別要求，揚(yáng)聲器播放音樂(lè)，整個(gè)電路系統(tǒng)測(cè)試成功。

4 結(jié)語(yǔ)

本文系統(tǒng)由FPGA串口通信模塊和UART測(cè)試系統(tǒng)模塊組成。預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能：（1）微控制器的串行數(shù)據(jù)通信接口的擴(kuò)展;（2）驗(yàn)證FPGA串口電路實(shí)現(xiàn)控制指令傳輸功能（即通過(guò)手機(jī)控制實(shí)現(xiàn)音頻播放）。目前，兩部分功能均已實(shí)現(xiàn)，各模塊運(yùn)作穩(wěn)定。

本系統(tǒng)主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)為一對(duì)多的數(shù)據(jù)傳輸控制，利用FPGA進(jìn)行串口擴(kuò)展。我們只進(jìn)行了技術(shù)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)，該技術(shù)的應(yīng)用層面十分的廣泛。本文設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了一對(duì)一的uart的電路擴(kuò)展，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步可實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的uart電路擴(kuò)展，為電子設(shè)計(jì)工程師提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 殷秀壯，等.淺析單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].南方農(nóng)機(jī)，2018，49（11）：152.

[2] 袁浩然，等.單片機(jī)的高效串行通信研究[J].中國(guó)高新區(qū)，2018（04）：163.

[3] 李響，等.淺析PLC與單片機(jī)串口通信的實(shí)現(xiàn)[J].南方農(nóng)機(jī)，2018，49（11）：249.

[4] 宋睿.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)現(xiàn)狀研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（14）：144.

[5] 孫菁.STM32實(shí)戰(zhàn)通關(guān)初級(jí)篇[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2018.

[6] 葉夫根尼·斯塔維諾夫著.FPGA高手設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)真經(jīng)[M].朱江，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

Abstract：This paper designs a Series-port circuit system based on FPGA， which can realize the expansion requirement of serial data communication interface of MCU. In order to verify the function of the serial circuit system， a remote MP3 audio playback system based on STC12C5A60S2 is designed. After testing， the MCU can control MP3 music playing by using the serial port circuit of the FPGA， which proves that the serial port circuit of the FPGA can realize the control instruction transmission function. This work provides a basis for the expansion of multi-serial ports of single-chip microprocessors and promotes the diversity of single-chip system schemes.

Key words：FPGA;VERILOG;UART;MP3