利用FPGA来实现UART的设计

摘 要：计算机通信有串行和并行通信。串行通信虽然使设备之间的连线很少，但会带来串/并转换和位计数等问题，这使串行通信技术比并行通信技术更为复杂。串/并转换既可用软件实现，也可用硬件来实现。

关键词：接口；发送器；接收器；通信

1 总体设计

整个设计包括两部分：基于FPGA的UART的设计和基于VB6.0的上位机程序设计。UART的设计采用模块化的设计思想，可分为3个模块：FPGA数据发送模块、数据接收模块以及波特率发生器控制模块。上位机程序采用VB6.0的Mscomm控件，可分为画面设计和功能设计两部分。串口采用标准的RS-232协议，主要参数选择为：波特率9600bit/s，8位有效位，无奇偶校验位，1位停止位。

2 UART的结构和帧格式

UART主要包括接收器和发送器。从异步接收输入信号SIN接收到的异步信号通过接收器完成串行/并行的转换，形成异步数据帧；发送器将CPU发出的8位数据进行并行/串行转换，从SOUT发送出去。功能包括微处理器接口、TBR（发送缓冲器）、TSR（发送移位寄存器）、帧产生、并转串、RBR（接收缓冲器）、RSR（接收移位寄存器）、帧产生、串转并。

3 UART的设计与实现

下面分别给出UART的3个模块（发送器、接收器和波特率产生器）的方框图。

3.1 发送器

UART串行发送器模块框图如图2所示。DIN为8位数据，其余为1位。

从图1的框图可以看出，串行发送器中包含有一个8位THR（发送保持寄存器）和TSR（发送移位寄存）。复位时，引脚TRE为高电平，当数据载入到TSR之后，引脚TRE变为低电平。发送完毕，TRE变为高电平。当侦测到输入WRN变为低电平时，自动使能串行数据发送过程。首先传送1位的起始位（逻辑电平0），同时THR中的数据自动地并行载入到TSR中。然后，定长的数据位从TSR中移出，接着是校验位。最后，产生停止位（逻辑电平1），标志着一帧的结束。串行数据帧将以内部时钟频率的1/16传送。如果THR中内容不空，当一个串行数据帧传送结束后，紧接着发送下一个数据帧。这种自动的流程使得数据帧以背靠背的方式发送，提高了数据传输的带宽。当没有数据发送时，SDO引脚保持高电平。

发送器每隔16个时钟周期输出1位，顺序遵循1位起始位、8位数据位（假定数据位为8位）、1位校验位（可选）、1位停止位。

3.2 接收器

UART串行接收器模块框图如图2所示。DOUT为8位数据，其余为1位。接收器包含一个8位RBR和RSR。RBR的状态可以通过引脚DATA_READY米表示。当RBR中的数据有效时，DATA_READY变为高电平，向CPU表明可以取同数据。

本设计只要求实现简单的收发功能，故未设计检错程序，程序在侦测到起始位后，计16个时钟周期，便开始接收数据，移位输入RSR，最后输出数据DOUT。还要输出一个数据接收标志信号标志数据接收完。

串行输入RXD为0010101101，每一位占16个时钟周期，一旦检测到输入RXD为0，计数器开始计数，开始接收数据，接收完毕，标志位变为高电平。

3.3 波特率发生器

UART的接收和发送是按照相同的波特率进行收发的。波特率发生器产生的时钟频率不是波特率时钟频率，而是波特率时钟频率的16倍，目的是为在接收时进行精确地采样，以提出异步的串行数据。根据给定的晶振时钟和要求的波特率算出波特率分频数。

4 上位机程序设计

本文使用VB 6.0进行上位机程序的设计，实现PC与FPGA的串行通信。下面是1个上位机收发测试通信程序的设计过程，通过该程序可以与FPGA进行串行通信。波特率默认值是“9600，N，8，1”，其意为所使用的通信端口是以9600 bit/s的速度传输，不作字符校验，每次的数据是8位，而停止位是1位。波特率（单位为bit/s）可为110、300、600、1200、2400、9600、14400、19200、28800。校验位为：E偶校验，N无校验，O奇校验，S空白。正确的数据位值有：4、5、6、7、8（默认值）。正确的停止位值有：1（默认值）、1.5、2。

将UART的程序编译、仿真后，下载到FPGA的EPlK30TC144-3芯片上。引入20MHz的晶振频率；发送使能端和复位端分别接一个开关；状态输出标志TRE和DATA-READTY分别接一个二极管，指示状态；设置波特率为“9800，N，8，1”。串行数据帧的格式为：起始位0，8位数据位，无校验位，1位停止位。将UART的串行发送、接收端口分别与计算机的RS-232的串行接收、发送端口连接，以便与PC机进行串行通信；并行输入DIN接入并行输出DOUT；连好线后，执行发送测试程序。

5 结束语

在实现FPGA与PC的串行通信中，将程序下载到芯片中验证设计的正确性，通过串行通信，可以向FPGA发控制命令让其执行相应的操作，同时把需要的数据通过串口发到PC上进行相应的数据处理和分析，以此来判断FPGA是否按设计要求工作。