如何用FPGA實(shí)現(xiàn)UART電路設(shè)計(jì)？

1 引言

UART 即通用異步收發(fā)器，他廣泛使用串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。UART 功能包括微處理器接口、用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)木彌_器（Buffer）、幀產(chǎn)生、奇偶校驗(yàn)、并串轉(zhuǎn)換，用于數(shù)據(jù)接收的緩沖器、幀產(chǎn)生、奇偶校驗(yàn)、串并轉(zhuǎn)換等。UART的特點(diǎn)是一個(gè)字符接一個(gè)字符傳輸，并且傳送一個(gè)字符總是以起始位開始，以停止位結(jié)束，字符之間沒有固定的時(shí)間間隔要求。每一個(gè)字符的前面都有一位起始位（低電平，邏輯值0），字符本身由5~ 8 位數(shù)據(jù)位組成，接著字符后面是一位校驗(yàn)位，最后是停止位（1 位，或1 位半，或2位），停止位后面是不定長度的空閑位。停止位和空閑位都規(guī)定高電平（邏輯值1），這樣可以保證起始位開始處有一個(gè)下降沿。在一般的使用中往往不需要使用完整的UART功能，比如對于多串口的設(shè)備或需要加密通訊的場合使用UART 就不是最合適的。如果設(shè)計(jì)上用到FPGA ？CPLD器件，那么就可以將所需要的UART 功能集成到FPGA內(nèi)部，從而使整個(gè)設(shè)計(jì)更加緊湊、穩(wěn)定、可靠。分析UART的結(jié)構(gòu)，UART 主要由數(shù)據(jù)總線接口、控制邏輯和狀態(tài)接口、波特率發(fā)生器、發(fā)送和接收等部分組成。在本設(shè)計(jì)中，固定數(shù)據(jù)幀格式為：開始位（1 b 低電平）、8 位數(shù)據(jù)位、偶校驗(yàn)、停止位（1 b 高電平），波特率可調(diào)。

2 波特率發(fā)生模塊

設(shè)計(jì)的UART 的接收和發(fā)送按照相同的波特率進(jìn)行，波特率可以通過接口模塊的總線接口進(jìn)行設(shè)置。

UART 收發(fā)的每一個(gè)數(shù)據(jù)寬度都是波特率發(fā)生器輸出的時(shí)鐘周期的16 倍，即假定當(dāng)前按照9 600 b？s 進(jìn)行收發(fā)，那么波特率發(fā)生器的輸出時(shí)鐘頻率應(yīng)該為9 600×16 Hz.

假定提供的外部時(shí)鐘為116MHz，可以很簡單地通過總線寫入不同的數(shù)值到波特率發(fā)生器保持寄存器，然后用計(jì)數(shù)器的方式生成所需要的各種波特率，即分頻器。計(jì)算公式為： 1 600 000？（16×所期望的波特率） - 1，如果希望輸出10 000 Hz 的波特率，可以得出從總線寫入的數(shù)值為1 600 000？（16×10 000） - 1= 9 （09H）。

3 發(fā)送模塊

根據(jù)UART 協(xié)議的描述，發(fā)送邏輯流程如圖1 所示。

發(fā)送數(shù)據(jù)由接口模塊控制，接口模塊給出w rn 信號，發(fā)送器根據(jù)此信號將并行數(shù)據(jù)鎖存，并通過發(fā)送保持寄存器和發(fā)送移位寄存器發(fā)送并行數(shù)據(jù)。由計(jì)數(shù)器no_ bs_sent 控制狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，即數(shù)據(jù)的發(fā)送，計(jì)數(shù)值為1 時(shí)，數(shù)據(jù)從發(fā)送保持寄存器傳送到發(fā)送移位寄存器，計(jì)數(shù)值為2時(shí)，發(fā)送開始位（1 b 低電平），計(jì)數(shù)值為3~ 10，發(fā)送8 位數(shù)據(jù)，計(jì)數(shù)器為11，發(fā)送校驗(yàn)位，計(jì)數(shù)值為12，發(fā)送1 位停止位，計(jì)數(shù)器隨后清零。發(fā)送時(shí)鐘是根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈十a(chǎn)生的，16 倍于波特率發(fā)生器產(chǎn)生的時(shí)鐘。