1 前言
現場可編程邏輯器件（FPGA）在高速采集系統中的應用越來越廣，由于FPGA對采集到的數據的處理能力比較差，故需要將其采集到的數據送到其他CPU系統來實現數據的處理功能，這就使FPGA系統與其他CPU系統之間的數據通信提到日程上，得到人們的急切關注。本文介紹利用VHDL語言實現FPGA與單片機的串口異步通信電路。
整個設計采用模塊化的設計思想，可分為四個模塊：FPGA數據發送模塊，FPGA波特率發生控制模塊，FPGA總體接口模塊以及單片機數據接收模塊。本文著重對FPGA數據發送模塊實現進行說明。
2 FPGA數據發送模塊的設計
根據RS232異步串行通信來的幀格式，在FPGA發送模塊中采用的每一幀格式為：1位開始位+8位數據位+1位奇校驗位+1位停止位，波特率為2400。本系統設計的是將一個16位的數據封裝成高位幀和低位幀兩個幀進行發送，先發送低位幀，再發送高位幀，在傳輸數據時，加上文件頭和數據長度，文件頭用555555來表示，只有單片機收到555555時，才將下面傳輸的數據長度和數據位進行接收，并進行奇校驗位的檢驗，正確就對收到的數據進行存儲處理功能，數據長度可以根據需要任意改變。由設置的波特率可以算出分頻系數，具體算法為分頻系數X=CLK/(BOUND*2)。可由此式算出所需的任意波特率。下面是實現上述功能的VHDL源程序。
Library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_arith.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity atel2_bin is
port( txclk: in std_logic; --2400Hz的波特率時鐘
reset: in std_logic; --復位信號
din: in std_logic_vector(15 downto 0); --發送的數據
start: in std_logic; --允許傳輸信號
sout: out std_logic --串行輸出端口
);
end atel2_bin;
architecture behav of atel2_bin is
signal thr,len: std_logic_vector(15 downto 0);
signal txcnt_r: std_logic_vector(2 downto 0);
signal sout1: std_logic;
signal cou: integer:=0;
signal oddb:std_logic;
type s is(start1,start2,shift1,shift2,odd1,odd2,stop1,stop2);
signal state:s:=start1;
begin
process(txclk)
begin
if rising_edge(txclk) then
if cou<3 then thr<=“0000000001010101”; --發送的文件頭
elsif cou=3 then
thr<=“0000000000000010”; --發送的文件長度
elsif (cou>3 and state=stop2) then thr<=din;--發送的數據
end if;
end if;
end process;
process(reset,txclk)
variable tsr,tsr1,oddb1,oddb2: std_logic_vector(7 downto 0);
begin
if reset=‘1’ then
txcnt_r<=(others=>‘0’);
sout1<=‘1’;
state<=start1;
cou<=0;
elsif txclk’event and txclk=‘1’ then
case state is
when start1=>
if start=‘1’ then
if cou=3 then
len<=thr;
end if;
tsr:=thr(7 downto 0);
oddb1:=thr(7 downto 0);
sout1<=‘0’; --起始位
txcnt_r<=(others=>‘0’);
state<=shift1;
else
state<=start1;
end if;
when shift1=>
oddb<=oddb1(7) xor oddb1(6) xor oddb1(5) xor oddb1(4) xor oddb1(3) xor oddb1(2)
xor oddb1(1) xor oddb1(0);
sout1<=tsr(0); --數據位
tsr(6 downto 0):=tsr(7 downto 1);
tsr(7):=‘0’;
txcnt_r<=txcnt_r+1;
if (txcnt_r=7) then
state<=odd1;cou<=cou+1;
end if;
when odd1=> --奇校驗位
if oddb=‘1’ then
sout1<=‘0’;state<=stop1;
else
sout1<=‘1’;state<=stop1;
end if;
when stop1=>
sout1<=‘1’; --停止位
if cou<4 then
state<=start1;
else
state<=start2;
end if;
when start2=>
tsr1:=thr(15 downto 8);
oddb2:=thr(15 downto 8);
sout1<=‘0’; --起始位
txcnt_r<=(others=>‘0’);
state<=shift2;
when shift2=>
oddb<=oddb2(7) xor oddb2(6) xor oddb2(5) xor oddb2(4) xor oddb2(3) xor oddb2(2)
xor oddb2(1) xor oddb2(0);
sout1<=tsr1(0);--數據位
tsr1(6 downto 0):=tsr1(7 downto 1);
tsr1(7):=‘0’;
txcnt_r<=txcnt_r+1;
if (txcnt_r=7) then
state<=odd2;
end if;
when odd2=> --奇校驗位
if oddb=‘1’ then
sout1<=‘0’;state<=stop2;
else
sout1<=‘1’;state<=stop2;
end if;
when stop2=>
sout1<=‘1’; --停止位
if len=“0000000000000000” then
state<=stop2;
else
state<=start1;
len<=len-1;
end if;
end case;
end if;
end process;
sout<=sout1;
end behav; 其中各信號的說明已在程序中標明了。波形仿真圖如圖1所示。

圖1 FPGA數據發送時序仿真圖
圖中Din寫入值為3355H，波特率為2400Hz，Start信號始終置邏輯1，即隨時都能發送數據。Reset信號邏輯1時復位，邏輯0時電路開始工作。THR是數據寄存器，文件頭、數據長度以及數據位都先寄存到THR中，Len是數據長度，TSR是低8位數據幀寄存器，TSR1是高8位數據幀寄存器。數據長度Len定為02H，發送時先發送低8位55H，后發送高8位33H，一共發送兩遍。發送的數據格式說明：當發送55H時，其二進制為01010101，則發送的數據的二進制數為00101010111（1位開始位+8位數據位+1位奇校驗位+1位停止位）。
單片機部分先對FPGA發送過來的文件頭進行確認，正確就接收文件，否則放棄接收的數據。根據FPGA發送模塊的協議，對串口控制寄存器SCON和波特率控制寄存器PCON的設置即可實現。
3 總結
目前電子產品的開發中經常要綜合運用EDA技術、計算機控制技術、數字信號處理技術，那么電路各部分經常需要數據交換。本文也是基于此給出這方面應用的實例，供開發者交流。