如何用FPGA实现UART电路设计？

1 引 言

UART 即通用异步收发器，他广泛使用串行数据传输协议。UART 功能包括微处理器接口、用于数据传输的缓冲器（Buffer）、帧产生、奇偶校验、并串转换，用于数据接收的缓冲器、帧产生、奇偶校验、串并转换等。UART的特点是一个字符接一个字符传输，并且传送一个字符总是以起始位开始，以停止位结束，字符之间没有固定的时间间隔要求。每一个字符的前面都有一位起始位（低电平，逻辑值0） ， 字符本身由5~ 8 位数据位组成，接着字符后面是一位校验位，最后是停止位（1 位，或1 位半，或2位） ， 停止位后面是不定长度的空闲位。停止位和空闲位都规定高电平（逻辑值1） ， 这样可以保证起始位开始处有一个下降沿。在一般的使用中往往不需要使用完整的UART功能，比如对于多串口的设备或需要加密通讯的场合使用UART 就不是最合适的。如果设计上用到FPGA ？CPLD器件，那么就可以将所需要的UART 功能集成到FPGA内部，从而使整个设计更加紧凑、稳定、可靠。分析UART的结构，UART 主要由数据总线接口、控制逻辑和状态接口、波特率发生器、发送和接收等部分组成。在本设计中，固定数据帧格式为： 开始位（1 b 低电平）、8 位数据位、偶校验、停止位（1 b 高电平） ， 波特率可调。

2 波特率发生模块

设计的UART 的接收和发送按照相同的波特率进行，波特率可以通过接口模块的总线接口进行设置。

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，即假定当前按照9 600 b？s 进行收发，那么波特率发生器的输出时钟频率应该为9 600×16 Hz.

假定提供的外部时钟为116MHz， 可以很简单地通过总线写入不同的数值到波特率发生器保持寄存器，然后用计数器的方式生成所需要的各种波特率，即分频器。计算公式为： 1 600 000？（16×所期望的波特率） - 1， 如果希望输出10 000 Hz 的波特率，可以得出从总线写入的数值为1 600 000？（16×10 000） - 1= 9 （09H）。

3 发送模块

根据UART 协议的描述，发送逻辑流程如图1 所示。

发送数据由接口模块控制，接口模块给出w rn 信号，发送器根据此信号将并行数据锁存，并通过发送保持寄存器和发送移位寄存器发送并行数据。由计数器no_ bs_sent 控制状态的转移，即数据的发送，计数值为1 时，数据从发送保持寄存器传送到发送移位寄存器，计数值为2时，发送开始位（1 b 低电平） ， 计数值为3~ 10， 发送8 位数据，计数器为11， 发送校验位，计数值为12， 发送1 位停止位，计数器随后清零。发送时钟是根据数据传输的波特率产生的，16 倍于波特率发生器产生的时钟。

图1 发送逻辑的流程

发送模块信号：

rst （输入） ： 复位端口， 低电平有效；

w rn （输入） ： 写控制信号；

din ［ 0： 7 ］ （输入） ： 并行数据输入信号；

clk16x （输入） ： 外部时钟信号；

tbre （输出） ： 发送保持寄存器空信号， 高电平有效；

t sre （输出） ： 发送移位寄存器空信号， 高电平有效；

sdo （输出） ： 串行数据输出信号。

用VHDL 语言编写代码，使用Xinlinx 的ISE511 进行逻辑综合，运用Modelsim 7.2 做时序仿真，其结果如图2所示。

图2 发送模块时序仿真波形图

4 接收模块

根据UART 的协议描述，可以画出如图3 所示的接收逻辑流程图。接收逻辑首先通过检测输入数据的下降沿来检查起始位，然后产生接收时钟，利用接收时钟来采样串行输入数据，在缓冲器中作移位操作，同时产生校验位，在第9 位处比较校验位是否正确，在第10 位处比较停止位是否为高，在校验位错误或停止位错误的情况下产生错误指示信号。接收时钟是根据数据传输的波特率产生的，16 倍于波特率发生器产生的时钟。

接收模块信号：

rst （输入） ： 复位信号；

clk16x （输入） ： 输入时钟；

rdn （输入） ： 读锁存信号；

rxd （输入） ： 串行数据输入信号；

dout ［ 0： 7 ］ （输出） ： 并行数据输出总线；

fram ing_ erro r （输出） ： 帧错误信号；

parity_ erro r （输出） ： 校验错误信号；

data_ ready （输出） ： 数据接收完毕信号。

图3 接收逻辑的流程

运用Modelsim 712 对接收模块做了时序仿真，其结果如图4 所示。接收时钟与发送时钟相同，接收到一帧串行数据，由接收模块转换为并行输出，并且检验校验位和停止位，产生fram ing_ erro r 和parity_ erro r 信号输出。

图4 接收模块时序仿真波形图

5 接口控制模块

接口控制模块连接控制发送、接收、波特率发生模块，并与外部并行总线相连接，从外部（CPU 或单片机） 接收控制信号（nrst， nw rn， nbdn， nrdn） ， 来控制UART 的发送、接收以及内部时钟的生成。在nw rn 有效并且内部信号tbre= ′0′（发送缓冲寄存器空） 时，将数据总线输入的并行数据发送给发送模块数据线din （7： 0） ， 执行发送数据功能。在nrdn 有效并且内部信号data_ ready， parity_erro r， fram ing_ erro r 有效时，允许从接收模块读入接收到的数据。波特率发生器和发送模块的并行数据输入端口共用一个数据总线。

6 总体电路综合及仿真

UART 总体电路如图5 所示，分别由上述4 个模块组成。其时序仿真如图6 所示。

图5 UART 总体电路图

图6 UART 总体时序仿真波形图

观察图6， 可以看到串行输出端口sdo 发送一帧数据为“00101011001”， 第一位为起始位，8 位数据位，校验位为“0”（偶校验） ， 1 位停止位，空闲状态位为高电平。并行输出端口ndout 输出为“00101010”， 输入数据帧格式正确，校验位正确。

7 结 语

用FPGA 器件实现了UART 异步收发器的核心功能，可以实现对数据的接收和发送，并可以在接收数据时对其校验位、停止位进行判断，在发送数据时可以形成完整的一帧数据格式。其接收和发送数据的时钟有内部波特率发生器产生，根据预置的分频系数，对外部时钟进行分频，产生需要的接收或发送时钟。将该UART 电路作为一功能块嵌入到一个FPGA 实现的数据采集与处理系统中，成功地实现了和远端的PC 机进行异步串行通信。实验证明该UART 电路简单，工作稳定、可靠，可运用于低端的异步通信。