在工業(yè)控制中，設(shè)備的通訊與控制主要采用簡潔高效的串口方式進行。工控機通過PCI擴展卡方式進行串口的擴展，或采用電路復(fù)雜的擴展芯片實現(xiàn)串口擴展。隨著嵌入式技術(shù)發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用逐步代替了成本高昂的工業(yè)控制計算機。為了簡化硬件電路的設(shè)計，降低系統(tǒng)成本，本文提出了一種基于CPLD/FPGA多串口擴展的方案，實現(xiàn)多個外設(shè)串口的擴展和管理，同時解決一對多的串口通訊可靠性問題，滿足嵌入式系統(tǒng)串口擴展的需求。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本設(shè)計以CPLD/FPGA芯片為核心，在芯片內(nèi)部通過設(shè)計、編程實現(xiàn)并行總線接口到多個串行口的擴展。設(shè)計的多串口擴展包括并行總線接口、4路接收緩沖器、4路發(fā)送器、波特率發(fā)生器和UART接口。為實現(xiàn)高速嵌入式CPU與RS232通訊設(shè)備之間的速度匹配，充分利用嵌入式系統(tǒng)的實時性，在每個接收緩沖器中開辟了8個接收緩沖單元。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)嵌入式系統(tǒng)擴展的需要，靈活增減串口數(shù)量以及接收緩沖單元個數(shù)。在通訊過程，波特率發(fā)生器的時鐘信號由外部有源晶振提供，選擇合適的晶振頻率即可獲得高性能的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 功能模塊設(shè)計
2.1 接收緩沖模塊
2.1.1 接收緩沖模塊構(gòu)架
在設(shè)計過程中，為便于串口擴展功能的實現(xiàn)，將功能相似的部件進行了集成。本設(shè)計以4路UART接口擴展為例，接收緩沖部分包含了4個獨立的接收緩沖器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。接收緩沖器共用clk時鐘信號，并將其作為串行數(shù)據(jù)接收的波特率；每個接收緩沖器均有單獨的rxd、bf、cs引腳，其功能分別為：串行數(shù)據(jù)輸入、接收緩沖器儲存狀態(tài)、接收緩沖器片選。各接收緩沖器的片選端分別與2-4譯碼器的輸出腳相連。譯碼器的輸入端構(gòu)成了4路接收緩沖器選擇的地址線，分別對應(yīng)a3、a4腳；結(jié)構(gòu)圖中數(shù)據(jù)總線d0～d7、讀緩沖端rd、緩沖儲存狀態(tài)清‘0’端clr和緩沖單元地址線a0～a2為共用信號端口，分別與4個接收緩沖器相連。
2.1.2 接收緩沖器內(nèi)部結(jié)構(gòu)
接收緩沖器內(nèi)部由RXD接收器、地址及寫控制器和雙端口RAM構(gòu)成，如圖3所示。
1)RXD接收器
RXD接收器的作用是接收串行設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)。clk腳引入波特率時鐘后，程序首先檢測串行數(shù)據(jù)輸入腳rxd的電平，當(dāng)檢測到rxd腳電平為‘0’即串行數(shù)據(jù)的開始信號后，接收器開始接收數(shù)據(jù)。連續(xù)接收8位數(shù)據(jù)后，接收到的數(shù)據(jù)將被送至d0～d7端，同時reg_flag端產(chǎn)生一個負(fù)脈沖信號，觸發(fā)寫控制器的ad_cnt端，寫控制器的地址線加‘1’并同時產(chǎn)生雙端口RAM的寫操作信號，完成接收數(shù)據(jù)的存儲。
接收時，clk時鐘為波特率的16倍，clk信號8分頻后即串行數(shù)據(jù)位的周期的中間位置檢測rxd腳電平狀態(tài)，以保證串行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地接收，累計計數(shù)至16分頻時完成一位數(shù)據(jù)的接收。連續(xù)接收8位數(shù)據(jù)后，并判斷第9位狀態(tài)為‘1’時(停止位)，完成一個字節(jié)的接收。RXD接收器的程序如下：
2)寫控制器
寫控制器的ad_cnt端接收到RXD接收器的reg_flag負(fù)脈沖信號后，對地址寄存器進行加‘1’操作，并將新的地址狀態(tài)送至雙端口RAM的地址總線a0～a2。同時，reg_flag負(fù)脈沖觸發(fā)寫控制器對clk時鐘計數(shù)，向雙端口RAM產(chǎn)生cs片選信號和wr寫控制信號，將RXD接收器d0～d7的數(shù)據(jù)寫入雙端口RAM地址線所對應(yīng)的存儲單元中。
3)雙端口RAM
通過一系列時序信號的組合，RXD接收器接收的數(shù)據(jù)將暫存到雙端口RAM中。本設(shè)計中，雙端口RAM直接調(diào)用的Quartus8.0存儲器子庫中的LPM_RAM_DP元件。
2.2 發(fā)送模塊
發(fā)送部分由4路并行的TXD發(fā)送器、2-4譯碼器和4輸入或門組成，如圖4所示。4路TXD發(fā)送器共用時鐘信號clk、數(shù)據(jù)端d0～d7、發(fā)送啟動端load；每個發(fā)送器均有單獨sf、cs、txd引腳，其功能分別為：發(fā)送狀態(tài)標(biāo)志、TXD發(fā)送器選擇、串行數(shù)據(jù)輸出。TXD發(fā)送器的cs端分別與2-4譯碼器的輸出腳相連，譯碼器的輸入端a0～a1即構(gòu)成發(fā)送部分的地址線；發(fā)送器的sf端經(jīng)過4輸入或門輸出，構(gòu)成發(fā)送部分的發(fā)送狀態(tài)標(biāo)志。
在通訊過程中，load腳接收到CPU的控制信號后，根據(jù)地址線a0～a1的組合選擇相應(yīng)的TXD發(fā)送器，將數(shù)據(jù)總線d0～d7上的數(shù)據(jù)通過txd腳逐位輸出，通過串行總線發(fā)送至接收設(shè)備。一個字節(jié)發(fā)送完成后，發(fā)送狀態(tài)端sf置‘0’，CPU可檢測sf端的電平狀態(tài)，以判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送完成，也可以利用sf引腳的狀態(tài)觸發(fā)CPU中斷，完成多個數(shù)據(jù)的連續(xù)發(fā)送。發(fā)送器的程序與接收器相匹配，在此不再闡述。
2.3 波特率發(fā)生器
UART的接收和發(fā)送按照相同的波特率進行數(shù)據(jù)傳送。波特率發(fā)生器分別給接收部分和發(fā)送部分提供時鐘信號，并且接收的波特率時鐘是發(fā)送的16倍，利用16倍波特率時鐘對串行數(shù)據(jù)進行高速采樣，以確保接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為實現(xiàn)與不同傳輸速率的串行設(shè)備通信，波特率發(fā)生器對系統(tǒng)時鐘進行不同系數(shù)的分頻，根據(jù)CPU控制線的組合可分別產(chǎn)生4800bit/s、9600bit/s、19200bit/s、38400bit/s等多種波特率。
3 仿真與實現(xiàn)
本串口擴展器通過VHDL編程，在Ouartus8.0下進行了仿真。由于仿真信號較多，僅對關(guān)鍵部件的信號進行分析。圖5給出了RXD接收器仿真波形。在測試過程中，首先確定通信的波特率為19 200 bit/s，即RXD接收器CLK時鐘為波特率的16倍，發(fā)送設(shè)備通過串行總線向RXD接收器發(fā)送F1H，當(dāng)RXD接收器完成數(shù)據(jù)的接收后，立即將數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)總線d0～d7，仿真結(jié)果如圖5所示。
給寫控制器的ad_cnt端輸入地址計數(shù)脈沖，地址線a0～a2進行加‘1’操作，片選線cs和寫操作端wr根據(jù)CLK時鐘信號相應(yīng)輸出低電平，完成接收數(shù)據(jù)的寫存儲。連續(xù)存儲8個字節(jié)后，緩沖器狀態(tài)標(biāo)志bf置‘1’。將clr端輸入低電平，bf標(biāo)志清‘0’，同時地址線a0～a2回到“000”狀態(tài)。寫控制器的仿真結(jié)果如圖6所示。
給TXD發(fā)送器的數(shù)據(jù)總線d0～d7輸入AAH，通過串行總線發(fā)送至接收設(shè)備。load端置‘0’，啟動發(fā)送。發(fā)送完成后，sf標(biāo)志清‘0’。檢查接收設(shè)備的接收值，與發(fā)送數(shù)據(jù)完全匹配。TXD發(fā)送器的波形仿真結(jié)果如圖7所示。
4 結(jié)束語
本文詳細介紹了CPLD/FPGA多串口設(shè)計的內(nèi)部構(gòu)成，對各個模塊的工作原理和關(guān)鍵信號進行了分析，給出了EDA軟件仿真形波和測試結(jié)果。通過對FPGA/CPLD多串口的設(shè)計與實現(xiàn)，為嵌入式系統(tǒng)中串口的擴展提供了一定的幫助。
作者：粟慧龍 肖遼亮 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 來源：電子設(shè)計工程