在工業(yè)控制中,，設(shè)備的通訊與控制主要采用簡(jiǎn)潔高效的串口方式進(jìn)行,。工控機(jī)通過PCI擴(kuò)展卡方式進(jìn)行串口的擴(kuò)展，或采用電路復(fù)雜的擴(kuò)展芯片實(shí)現(xiàn)串口擴(kuò)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(jì)算機(jī)。為了簡(jiǎn)化硬件電路的設(shè)計(jì),，降低系統(tǒng)成本,，本文提出了一種基于CPLD/FPGA多串口擴(kuò)展的方案，實(shí)現(xiàn)多個(gè)外設(shè)串口的擴(kuò)展和管理,，同時(shí)解決一對(duì)多的串口通訊可靠性問題,，滿足嵌入式系統(tǒng)串口擴(kuò)展的需求。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)以CPLD/FPGA芯片為核心,，在芯片內(nèi)部通過設(shè)計(jì),、編程實(shí)現(xiàn)并行總線接口到多個(gè)串行口的擴(kuò)展。設(shè)計(jì)的多串口擴(kuò)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(shí)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(shí)時(shí)性，在每個(gè)接收緩沖器中開辟了8個(gè)接收緩沖單元,。在實(shí)際應(yīng)用中,，可根據(jù)嵌入式系統(tǒng)擴(kuò)展的需要，靈活增減串口數(shù)量以及接收緩沖單元個(gè)數(shù),。在通訊過程,，波特率發(fā)生器的時(shí)鐘信號(hào)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(jì)

2.1 接收緩沖模塊

2.1.1 接收緩沖模塊構(gòu)架

在設(shè)計(jì)過程中，為便于串口擴(kuò)展功能的實(shí)現(xiàn),，將功能相似的部件進(jìn)行了集成,。本設(shè)計(jì)以4路UART接口擴(kuò)展為例，接收緩沖部分包含了4個(gè)獨(dú)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(shí)鐘信號(hào)，并將其作為串行數(shù)據(jù)接收的波特率,；每個(gè)接收緩沖器均有單獨(dú)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(chǔ)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(duì)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(chǔ)存狀態(tài)清‘0’端clr和緩沖單元地址線a0～a2為共用信號(hào)端口,，分別與4個(gè)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(shí)鐘后,，程序首先檢測(cè)串行數(shù)據(jù)輸入腳rxd的電平,，當(dāng)檢測(cè)到rxd腳電平為‘0’即串行數(shù)據(jù)的開始信號(hào)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(shí)reg_flag端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào),，觸發(fā)寫控制器的ad_cnt端,，寫控制器的地址線加‘1’并同時(shí)產(chǎn)生雙端口RAM的寫操作信號(hào),，完成接收數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),。

接收時(shí)，clk時(shí)鐘為波特率的16倍,，clk信號(hào)8分頻后即串行數(shù)據(jù)位的周期的中間位置檢測(cè)rxd腳電平狀態(tài),，以保證串行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地接收，累計(jì)計(jì)數(shù)至16分頻時(shí)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(shí)(停止位)，完成一個(gè)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(hào)后,，對(duì)地址寄存器進(jìn)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(shí),，reg_flag負(fù)脈沖觸發(fā)寫控制器對(duì)clk時(shí)鐘計(jì)數(shù)，向雙端口RAM產(chǎn)生cs片選信號(hào)和wr寫控制信號(hào),，將RXD接收器d0～d7的數(shù)據(jù)寫入雙端口RAM地址線所對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元中,。

3)雙端口RAM

通過一系列時(shí)序信號(hào)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(jì)中,，雙端口RAM直接調(diào)用的Quartus8.0存儲(chǔ)器子庫(kù)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(shí)鐘信號(hào)clk、數(shù)據(jù)端d0～d7,、發(fā)送啟動(dòng)端load,；每個(gè)發(fā)送器均有單獨(dú)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(hào)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(gè)字節(jié)發(fā)送完成后，發(fā)送狀態(tài)端sf置‘0’,，CPU可檢測(cè)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(gè)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(jìn)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(shí)鐘信號(hào)，并且接收的波特率時(shí)鐘是發(fā)送的16倍,，利用16倍波特率時(shí)鐘對(duì)串行數(shù)據(jù)進(jìn)行高速采樣,，以確保接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為實(shí)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(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)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(shí)現(xiàn)
    本串口擴(kuò)展器通過VHDL編程，在Ouartus8.0下進(jìn)行了仿真,。由于仿真信號(hào)較多,，僅對(duì)關(guān)鍵部件的信號(hào)進(jìn)行分析。圖5給出了RXD接收器仿真波形,。在測(cè)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(shí)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(jì)數(shù)脈沖，地址線a0～a2進(jìn)行加‘1’操作,，片選線cs和寫操作端wr根據(jù)CLK時(shí)鐘信號(hào)相應(yīng)輸出低電平,，完成接收數(shù)據(jù)的寫存儲(chǔ)。連續(xù)存儲(chǔ)8個(gè)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(shí)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(dòng)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(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了CPLD/FPGA多串口設(shè)計(jì)的內(nèi)部構(gòu)成,，對(duì)各個(gè)模塊的工作原理和關(guān)鍵信號(hào)進(jìn)行了分析，給出了EDA軟件仿真形波和測(cè)試結(jié)果。通過對(duì)FPGA/CPLD多串口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),，為嵌入式系統(tǒng)中串口的擴(kuò)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(jì)工程