UART自適應(yīng)波特率發(fā)生器的設(shè)計(jì)與仿真

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.01.012

收稿日期：2023-05-31

摘? 要：為提升各種微處理器與嵌入式系統(tǒng)的通信波特率，文章對(duì)傳統(tǒng)波特率自適應(yīng)檢測(cè)技術(shù)加以改進(jìn)，基于FPGA和Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)一種可靈活高效配置波特率參數(shù)的UART模塊。首先改進(jìn)傳統(tǒng)的通過(guò)發(fā)送固定數(shù)據(jù)檢測(cè)波特率的技術(shù)，利用特征值匹配法結(jié)合查表比對(duì)法設(shè)計(jì)自適應(yīng)波特率發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)高效檢測(cè)波特率，完成相應(yīng)參數(shù)配置。然后采用Modelsim對(duì)各模塊功能進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真。仿真結(jié)果表明，該波特率發(fā)生器能夠自動(dòng)建立串口通信鏈路，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，提高了檢測(cè)效率，減少了系統(tǒng)資源開(kāi)銷。

關(guān)鍵詞：UART；自適應(yīng)波特率發(fā)生器；Modelsim；特征值匹配

中圖分類號(hào)：TN83? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2024）01-0059-04

Design and Simulation of UART Adaptive Baud Rate Generator

XIAO Wengui

（Beijing University of Technology， Beijing? 100124， China）

Abstract： To improve the communication baud rate between various microprocessors and embedded systems， this paper improves the traditional baud rate adaptive detection technology and designs a UART module based on FPGA and Verilog HDL hardware description language that can flexibly and efficiently configure baud rate parameters. Firstly， the traditional technique of detecting baud rate by sending fixed data is improved， and an adaptive baud rate generator is designed using feature value matching method combined with table lookup comparison method to achieve automatic and efficient detection of baud rate and complete corresponding parameter configuration. Then use Modelsim to perform system level simulations on the functions of each module. The simulation results show that the baud rate generator can automatically establish a serial communication link， ensure stable and reliable data transmission， improve detection efficiency， and reduce system resource overhead.

Keywords： UART; adaptive Baud rate generator; Modelsim; eigenvalue matching

0? 引? 言

通用異步收發(fā)器（Universal Asynchronous Receiver/

Transmitter， UART）因其通信協(xié)議簡(jiǎn)單、線路布局方便等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種微處理器中。但由于受到通信雙方距離遠(yuǎn)近、周圍環(huán)境干擾的大小以及系統(tǒng)中不同設(shè)備所需的通信速率不同等因素的影響，為保證通信質(zhì)量，需要在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更改系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率的功能[1]。因此，系統(tǒng)接收機(jī)需實(shí)時(shí)更改通信波特率以保證數(shù)據(jù)的正常接收。

為此，本文創(chuàng)新性地提出了一種基于FPGA的UART自適應(yīng)波特率發(fā)生器的設(shè)計(jì)方案，采用特征值匹配法結(jié)合查表對(duì)比法，通過(guò)發(fā)送特征數(shù)據(jù)0x00來(lái)記錄不同波特率對(duì)應(yīng)的特征參數(shù)，與特征參數(shù)參考表對(duì)比后得出正確的波特率，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)需求實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)傳輸速率的功能。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種波特率自適應(yīng)檢測(cè)的UART模塊，介紹UART模塊整體設(shè)計(jì)原理，將其分為波特率發(fā)生器模塊、串口接收模塊以及串口發(fā)送模塊。使用Modelsim進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)時(shí)序仿真，來(lái)驗(yàn)證UART串口通信功能。本方案可在一定程度上提高波特率檢測(cè)效率，節(jié)約系統(tǒng)資源開(kāi)銷，提高UART自適應(yīng)能力。

1? UART系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1? UART設(shè)計(jì)原理

為實(shí)現(xiàn)UART波特率自動(dòng)檢測(cè)功能，本文利用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。整體設(shè)計(jì)從功能可劃分為3個(gè)模塊單元：波特率發(fā)生器、串口接收模塊、串口發(fā)送模塊。UART系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖1所示[2]。

1.2? 波特率發(fā)生器

傳統(tǒng)的波特率自動(dòng)檢測(cè)方法主要有兩種：最小位寬法與固定數(shù)據(jù)傳輸法。最小位寬法是通過(guò)不斷地檢測(cè)迭代出低電平（高電平）的最小脈沖寬度，與標(biāo)準(zhǔn)波特率的參考數(shù)據(jù)位寬進(jìn)行比較，從而得出正確的波特率值；固定數(shù)據(jù)傳輸法是通過(guò)主機(jī)發(fā)送特定的配置數(shù)據(jù)來(lái)獲取當(dāng)前波特率的信息。最小位寬法的缺點(diǎn)是波特率的識(shí)別需要不斷地檢測(cè)數(shù)據(jù)，得出最小數(shù)據(jù)位寬，十分依賴于發(fā)送數(shù)據(jù)的內(nèi)容，握手時(shí)間慢、檢測(cè)效率低[3]?？紤]到實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)中需要根據(jù)具體的需求快速檢測(cè)并配置不同的波特率，因此，為了提高檢測(cè)效率、節(jié)約系統(tǒng)時(shí)間成本，本設(shè)計(jì)采用固定數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ú?duì)此做出一定的改進(jìn)。

為了對(duì)傳統(tǒng)的固定數(shù)據(jù)傳輸法進(jìn)行改進(jìn)，提高波特率檢測(cè)效率，本文采用特征值匹配法結(jié)合查表對(duì)比法的方式，利用特征數(shù)據(jù)0x00來(lái)判斷具體的波特率值，如圖2所示。

配置新的波特率參數(shù)時(shí)，發(fā)送機(jī)需要發(fā)送特征數(shù)據(jù)0x00，波特率發(fā)生器利用邊沿檢測(cè)電路捕獲下降沿觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器測(cè)量低電平持續(xù)時(shí)間，將計(jì)數(shù)結(jié)果存放在cnt_low中；低電平計(jì)數(shù)結(jié)束后，cnt_low存放的是9位低電平持續(xù)時(shí)間（1位起始位，8位數(shù)據(jù)位）。為獲取一位低電平數(shù)據(jù)位寬，計(jì)算cnt_low/9的值，與表1的標(biāo)準(zhǔn)波特率參考表對(duì)比，完成波特率的正確檢測(cè)，并將新的波特率參數(shù)配置給串口接收模塊與串口發(fā)送模塊，完成數(shù)據(jù)收發(fā)[4]。

為消除邊沿觸發(fā)檢測(cè)可能引發(fā)的亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，采用兩級(jí)D觸發(fā)器進(jìn)行邊沿檢測(cè)。采用50 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘作為時(shí)鐘激勵(lì)，其頻率遠(yuǎn)大于波特率。

波特率的理論計(jì)算公式為：

（1）

通過(guò)計(jì)算可知，通信速率采用9 600 bit/s時(shí)，時(shí)鐘計(jì)數(shù)的時(shí)間測(cè)量誤差比小于0.006 4%，因此，能保證很高的測(cè)量精度。

1.3? 串口接收模塊

串口接收模塊需要接收到波特率發(fā)生器發(fā)送的正確通信波特率后才能正常工作。當(dāng)接收到線路通信波特率后，通過(guò)邊沿檢測(cè)電路檢測(cè)數(shù)據(jù)幀的起始位，以下降沿觸發(fā)信號(hào)表示開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。利用計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)每位數(shù)據(jù)的采集，結(jié)束后發(fā)送接收成功標(biāo)識(shí)rx_done，并將接收成功的數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，發(fā)送給串口發(fā)送模塊。為濾掉通信線上的噪聲干擾，本文采用下降沿觸發(fā)的方式來(lái)檢測(cè)數(shù)據(jù)幀起始位[5]。同時(shí)為了提高串行通信對(duì)波特率誤差的容忍范圍，數(shù)據(jù)接收的采樣波特率設(shè)定在1/2的分頻因子位置，即在波特率信號(hào)周期中間處，其分頻因子[6]計(jì)算公式為：

（2）

1.4? 串口發(fā)送模塊

串口發(fā)送模塊由串口接收模塊控制。當(dāng)發(fā)送模塊收到接收模塊傳入的數(shù)據(jù)后，將并行數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)寄存器中，并通過(guò)移位寄存器將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)發(fā)送出去，由計(jì)數(shù)器cnt_tx控制狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，即數(shù)據(jù)的發(fā)送。計(jì)數(shù)為1時(shí)，發(fā)送起始位；計(jì)數(shù)為2～9時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)位；計(jì)數(shù)為10時(shí)，發(fā)送停止位。發(fā)送時(shí)鐘根據(jù)波特率發(fā)生器接收到的波特率產(chǎn)生，與串口通信波特率相同[7]。

2? 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證分析

2.1? Modelsim簡(jiǎn)介

ModelSim是一種流行的數(shù)字電路模擬器，被廣泛用于硬件設(shè)計(jì)和驗(yàn)證領(lǐng)域。支持多種硬件描述語(yǔ)言，包括Verilog和VHDL，并提供完整的仿真調(diào)試環(huán)境。主要功能包括功能仿真、波形查看、調(diào)試、代碼覆蓋率分析和性能分析。提供直觀的GUI界面和命令行接口，用戶可以方便地創(chuàng)建、編輯和運(yùn)行仿真測(cè)試。在仿真過(guò)程中，用戶可以查看仿真波形、分析信號(hào)時(shí)序和調(diào)試代碼，以便更好地理解和驗(yàn)證電路功能[8]。此外，ModelSim還提供了一些高級(jí)功能，例如代碼優(yōu)化、時(shí)序分析和約束驅(qū)動(dòng)測(cè)試。它還支持多種仿真引擎和仿真加速技術(shù)，包括單線程、多線程、多核和基于網(wǎng)格的分布式仿真。這些功能可以提高仿真效率和準(zhǔn)確性，幫助用戶更快地找到和修復(fù)電路中的錯(cuò)誤。

2.2? UART功能仿真

基于Modelsim仿真平臺(tái)進(jìn)行串行通信波特率自適應(yīng)的功能仿真，主要分為兩個(gè)部分：波特率發(fā)生器的自適應(yīng)檢測(cè)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)的收發(fā)。

2.2.1? 波特率發(fā)生器的自適應(yīng)檢測(cè)

波特率發(fā)生器仿真如圖3所示，仿真模擬主機(jī)波特率初始值設(shè)定為9 600 bit/s，特征數(shù)據(jù)為0x00，通信數(shù)據(jù)格式為1 bit起始位，8 bit數(shù)據(jù)位，1 bit停止位，無(wú)校驗(yàn)位。配置數(shù)據(jù)碼為8b0101_0101。模擬主機(jī)改變后的數(shù)據(jù)發(fā)送波特率為19 200 bit/s，通過(guò)spec_bps記錄主機(jī)波特率的數(shù)值，便于檢測(cè)驗(yàn)證。

開(kāi)始時(shí)主機(jī)波特率為9 600 bit/s，當(dāng)數(shù)據(jù)0x55發(fā)送結(jié)束后，數(shù)據(jù)接收標(biāo)識(shí)符rx_done產(chǎn)生高電平脈沖，bps_rxd進(jìn)入高電平狀態(tài)，檢測(cè)狀態(tài)標(biāo)識(shí)state進(jìn)入低電平狀態(tài)，不進(jìn)行波特率檢測(cè)功能，維持一個(gè)計(jì)數(shù)周期。仿真模擬主機(jī)改變波特率為19 200 bit/s，首先發(fā)送特征數(shù)據(jù)0x00。邊沿觸發(fā)器bps_rxd_double檢測(cè)到下降沿后產(chǎn)生正脈沖信號(hào)，state進(jìn)入高電平狀態(tài)，開(kāi)始進(jìn)行波特率自適應(yīng)檢測(cè)。利用低電平計(jì)數(shù)器cnt_low，記錄特征數(shù)據(jù)低電平持續(xù)時(shí)間。完成計(jì)數(shù)后cnt_low計(jì)數(shù)大小為23 436，則cnt_low/9為2 604。通過(guò)查表得出新波特率spec_bps為19 200 bit/s。計(jì)算分頻因子并產(chǎn)生數(shù)據(jù)接收時(shí)鐘clk_rxd以及數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)鐘clk_txd，完成波特率自適應(yīng)檢測(cè)。

2.2.2? 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的收發(fā)

如圖4所示，仿真模擬主機(jī)以不同的波特率發(fā)送16進(jìn)制數(shù)據(jù)0x55。首先設(shè)定主機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送波特率為9 600 bit/s，經(jīng)波特率發(fā)生器檢測(cè)后產(chǎn)生正確的數(shù)據(jù)接收時(shí)鐘clk_rx與發(fā)送時(shí)鐘clk_tx。接收模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換后，接收到的并行數(shù)據(jù)data為0x55，將其傳入發(fā)送模塊。發(fā)送模塊利用發(fā)送時(shí)鐘clk_tx發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)uart_txd到外部設(shè)備，完成后UART系統(tǒng)進(jìn)入空閑狀態(tài)，uart_rxd持續(xù)高電平，并維持一個(gè)計(jì)數(shù)周期。改變主機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送波特率為19 200 bit/s。首先發(fā)送特征數(shù)據(jù)0x00，經(jīng)自動(dòng)檢測(cè)后產(chǎn)生正確的數(shù)據(jù)接收時(shí)鐘和發(fā)送時(shí)鐘，檢測(cè)結(jié)束后設(shè)備進(jìn)入空閑狀態(tài)。當(dāng)下降沿再次到來(lái)時(shí)，數(shù)據(jù)接收狀態(tài)標(biāo)識(shí)符state進(jìn)入高電平狀態(tài)，接收端口接收主機(jī)輸入信號(hào)uart_rxd，利用2倍于19 200 bit/s的時(shí)鐘頻率clk_rx進(jìn)行周期信號(hào)中間位置的數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換，最終完成數(shù)據(jù)的接收并產(chǎn)生接收完成信號(hào)rx_done。數(shù)據(jù)接收結(jié)束后state進(jìn)入低電平狀態(tài)，接收端口進(jìn)入空閑狀態(tài)。以19 200 bit/s接收完成后得到并行數(shù)據(jù)data為0x55；發(fā)送端對(duì)數(shù)據(jù)data進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，同時(shí)增加起始位與停止位，利用19 200 bit/s的時(shí)鐘頻率產(chǎn)生串行發(fā)送信號(hào)uart_txd，將數(shù)據(jù)發(fā)送到外部設(shè)備，完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)收發(fā)。

3? 潛在應(yīng)用場(chǎng)景

隨著物聯(lián)網(wǎng)興起，現(xiàn)代各種電子設(shè)備都需要進(jìn)行不同程度上的通信。其中，車載電子設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化等場(chǎng)景需要實(shí)時(shí)的通信速率來(lái)保證工作的正常運(yùn)行。本文設(shè)計(jì)的UART自適應(yīng)波特率發(fā)生器可使這些應(yīng)用設(shè)備之間的通信更加可靠、高效。

3.1? 車載電子設(shè)備

現(xiàn)代汽車中有許多電子設(shè)備需要進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。例如，車載導(dǎo)航系統(tǒng)中，GPS或北斗系統(tǒng)、主機(jī)、汽車顯示屏等導(dǎo)航模塊需要實(shí)時(shí)根據(jù)車輛駕駛情況以及路況做出相應(yīng)提示，以滿足駕駛員需求；車載診斷設(shè)備中，發(fā)送機(jī)控制模塊、車身控制模塊等車診設(shè)備需要對(duì)路況和車身系統(tǒng)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷與調(diào)試，以減少事故發(fā)生的概率；車載音響系統(tǒng)中，功放、主機(jī)、音響喇叭等，需要實(shí)時(shí)進(jìn)行聲音訊息傳輸，以方便駕駛員接收廣播或播放音樂(lè)[9]。這些設(shè)備都需要滿足不同設(shè)備在不同通信速率條件下能高效可靠地正常通信的需求。UART自適應(yīng)波特率發(fā)生器能提高設(shè)備通信的靈活性、可靠性，幫助車載電子設(shè)備之間進(jìn)行更加穩(wěn)定和高效的通信。

3.2? 醫(yī)療設(shè)備

在醫(yī)療方面，目前越來(lái)越多的醫(yī)療設(shè)備都需要與計(jì)算機(jī)或外部設(shè)備連接交互，傳輸醫(yī)療數(shù)據(jù)圖像。比如心電圖儀器，通常需要與計(jì)算機(jī)相連，將探測(cè)到的人體數(shù)據(jù)傳輸回主機(jī)并顯示在屏幕上，便于醫(yī)生進(jìn)行病情診斷；又如血壓計(jì)、血糖儀或醫(yī)療影響設(shè)備等，都需要將所測(cè)病理數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備，將人體生理指標(biāo)可視化，為后續(xù)深入工作打下基礎(chǔ)[10]。這些醫(yī)療設(shè)備都需要進(jìn)行交互通信，而往往不同設(shè)備所需的傳輸波特率不同，使用UART波特率自適應(yīng)發(fā)生器能在一定程度上提高設(shè)備之間傳輸效率與可靠性，提高醫(yī)療診斷的正確性、時(shí)效性。

3.3? 工業(yè)自動(dòng)化

UART自適應(yīng)波特率發(fā)生器在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用。以下是一些常見(jiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景——工業(yè)機(jī)器人：工業(yè)機(jī)器人通常需要與控制器進(jìn)行通信，以接收控制指令并向控制器發(fā)送反饋信息；PLC控制系統(tǒng)：PLC控制系統(tǒng)通常需要與傳感器、執(zhí)行器等設(shè)備進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制；工業(yè)傳感器：工業(yè)傳感器通常需要將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破骰蚱渌O(shè)備上進(jìn)行分析和處理；工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)：工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中有多個(gè)設(shè)備需要進(jìn)行通信，例如傳感器、執(zhí)行器、控制器等[11]。這些設(shè)備可能需要在不同的波特率下進(jìn)行通信，使用自適應(yīng)波特率發(fā)生器可以使它們之間的通信更加靈活和高效，提高各種工業(yè)設(shè)備之間通信的穩(wěn)定性、靈活性和效率，幫助工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備更好地與其他設(shè)備進(jìn)行協(xié)同工作，提高工業(yè)設(shè)備的性能和可靠性。同時(shí)，它也為工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備制造商提供了更加靈活和高效的設(shè)計(jì)方案，使得工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)更加簡(jiǎn)便和快速。

4? 結(jié)? 論

本文基于FPGA設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種具有波特率自適應(yīng)功能的UART通信模塊，利用特征值匹配法結(jié)合查表法的方式設(shè)計(jì)了自適應(yīng)波特率發(fā)生器，成功實(shí)現(xiàn)了不同通信波特率的自適應(yīng)檢測(cè)。利用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)該UART的硬件電路設(shè)計(jì)?；贛odelsim的仿真結(jié)果表明，對(duì)于不同波特率數(shù)據(jù)的傳輸，該方法能快速、正確、穩(wěn)定地建立串行通信鏈路。整體設(shè)計(jì)具有很高的整體性和穩(wěn)定性。

該方法改進(jìn)了傳統(tǒng)的波特率自適應(yīng)檢測(cè)技術(shù)，能夠正確高效地實(shí)現(xiàn)波特率的自動(dòng)檢測(cè)，對(duì)異步串行通信的應(yīng)用方法做了一定的補(bǔ)充。對(duì)于車載電子設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化等物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)場(chǎng)景，提供了一種用于不同設(shè)備通信速率之間高效自動(dòng)檢測(cè)的方案，可減少系統(tǒng)功耗，節(jié)約系統(tǒng)資源，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

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作者簡(jiǎn)介：肖文桂（2002.10—），男，漢族，廣東湛

江人，本科，研究方向：UART、數(shù)字電路。