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。

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图为啥看不到呢

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