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UART（通用異步收發器）是廣泛使用的串行數據傳輸協議。UART允許在串行鏈路上進行全雙工的通信。專用的UART集成電路如8250，8251，NS16450等已經相當復雜，有些含有許多輔助的模塊（如FIF0），在實際應用中，往往只需要用到UART的幾個基本功能，使用專用芯片會造成資源浪費和成本提高，我們可以將所需要的UART功能集成到FPGA內部，從而簡化了整個系統電路，提高了可靠性、穩定性和靈活性。
l 、UART簡介
基本的UART通信只需要兩條信號線（RXD，TXD）就可以完成數據的相互通信，接收與發送是全雙工形式，其中TXD是UART發送端，RXD是UART接收端。UART的基本特點是：在信號線上有2種狀態，可分別用邏輯1（高電平）和邏輯0（低電平）來區分。在發送器空閑時，數據線應保持在邏輯高電平狀態。發送器是通過發送起始位而開始一個字符傳送，起始位使數據線處于邏輯0狀態，提示接收器數據傳輸即將開始。數據位一般為8位一個字節的數據（也有6位、7位的情況），低位（LSB）在前，高位（MSB）在后。校驗位一般用來判斷接收的數據位有無錯誤，一般是奇偶校驗。停止位在最后，用以標志一個字符傳送的結束，它對應于邏輯1狀態。UART數據幀格式如表1所示。
2 、UART功能實現
基于FPGA的UART由3個子模塊組成：波特率發生器模塊；發送模塊；接收模塊。
2.1 波特率發生器模塊
波特率發生器實際上就是一個分頻器。波特率發生器的功能是產生和RS-232通信所采用的波特率同步的時鐘，這樣才能按照RS-232串行通信的時序要求進行數據接收或發送。實現波特率時鐘的基本思路就是設計一個計數器，該計數器工作在速度很高的系統時鐘下，當計數到某數值時將輸出置為高電平，再計數一定數值后將輸出置為低電平，如此反復就能得到所需的波特率時鐘。例如FPGA的系統時鐘為50MHz，RS-232通信的波特率為9600，則波特率時鐘的每個周期約相當于5208個系統時鐘的周期。假如要得到占空比為50%的波特率時鐘，只要使計數器在計數到5208 50%=2604時將輸出置為高電平，之后在計數到5208時輸出低電平并重新計數，就能得到和9600波特率同步的時鐘。
波特率發生器VHDL實現的關鍵代碼如下：
entity baud is
Port （clk，resetb:in std_logic;
bclk:out std_logic）;
end baud;
architecture Behavioral of baud is
begin
process（clk，resetb）
variable cnt:integer;
begin
if resetb=‘1’ then cnt：=0; bclk《=‘0’; --復位
elsif rising_edge（clk） then
if cnt》=208 then cnt：=0; bclk《=‘1’; --設置分頻系數
else cnt：=cnt+1; bclk《=‘0’;
end if;
end if;
end process;
end Behavioral;
2.2 發送模塊
在發數據寄存器被寫入一幀數據之后，發送過程被啟動。發送過程啟動后，發送串行移位寄存器被啟動。同時發送使能標志被清空。首先發送的是起始位，同時啟動發數據計算器，記錄發送數據的個數。根據工作模式寄存器的要求，將要發送的一幀數據串行發送出去，如果需要校驗，則產生校驗位并發送出去。最后需要發送的是停止位，根據停止位個數的要求，發送停止位。最后設置發送完畢標志位。圖2為發送模塊狀態機示意圖。
圖2 發送狀態機示意圖
發送模塊VHDL程序關鍵代碼如下：
architecture Behavioral of transfer is
type states is （x_idle，x_start，x_wait，x_shift，x_stop）; --定義各子狀態
signal state:states：=x_idle;
signal tcnt:integer：=0;
begin
process（bclkt，resett，xmit_cmd_p，txdbuf） --主控時序、組合進程
variable xcnt16:std_logic_vector（4 downto 0）：=“00000”; --定義中間變量
variable xbitcnt:integer：=0;
variable txds:std_logic;
begin
if resett=‘1’ then state《=x_idle; txd_done《=‘0’; txds：=‘1’; --復位
elsif rising_edge（bclkt） then
case state is
when x_idle=》 --狀態1，等待數據幀發送命令
if xmit_cmd_p=‘1’ then state《=x_start; txd_done《=‘0’;
else state《=x_idle;
end if;
when x_start=》 --狀態2，發送信號至起始位
if xcnt16》=“01111” then state《=x_wait; xcnt16：=“00000”;
else xcnt16：=xcnt16+1; txds：=‘0’; state《=x_start;
end if;
when x_wait=》 --狀態3，等待狀態
if xcnt16》=“01110” then
if xbitcnt=framlent then state《=x_stop; xbitcnt：=0;
else state《=x_shift;
end if;
xcnt16：=“00000”;
else xcnt16：=xcnt16+1; state《=x_wait;
end if;
when x_shift=》txds：=txdbuf（xbitcnt）; xbitcnt：=xbitcnt+1; state《=x_wait; --狀態4，將待發數據進行并串轉換
when x_stop=》 --狀態5，停止位發送狀態
if xcnt16》=“01111” then
if xmit_cmd_p=‘0’ then state《=x_idle; xcnt16：=“00000”;
else xcnt16：=xcnt16; state《=x_stop;
end if; txd_done《=‘1’;
else xcnt16：=xcnt16+1; txds：=‘1’; state《=x_stop;
end if;
when others=》state《=x_idle;
end case;
end if;
txd《=txds;
end process;
end Behavioral;
UART發送器的仿真波形如圖3所示。
2.3 接收模塊
在接收數據寄存器被讀出一幀數據或系統開始工作之后，接收過程被啟動。接收過程啟動之后，等待檢測起始位。檢測到有效的起始位后，根據高于數據速率的時鐘同步開始接收數據。根據數據位數的設定，計數器統計接收位數。一幀數據接收完畢之后，如果使用校驗位，則檢測校驗位，否則接收停止位。停止位接收完畢，則設定接收狀態寄存器中接收完畢寄存器，同時產生接收中斷，通知控制器讀取。接收狀態機的實現與發送部分類似，限于篇幅，在這里不再敘述。
在具體實現接收部分電路的時候，我們采用的是基于高速多倍率采樣的方法。比如將采樣速率設置在三倍信息速率上，就是以三倍于波特率的頻率對接收引腳Rx進行采樣，這樣既保證檢測到“起始位”，又可以調整采樣的時間間隔。將有效數據位的采樣點控制在碼元的中間1/3處，最大限度地減少誤碼，提高接收的準確性。圖4是該方法的示意圖，在圖中為了分析方便，將起始位和部分數據位放大，把每個信息位分為三等份，每等份的時間寬度設為TS 。以三倍頻對信息位進行采樣時，每個信息位都將可能被采樣到三次。當處于空閑狀態并檢測起始位時，盡管每次具體的采樣點會在S0區。檢測到起始位低電平后，間隔4×TS時間，正好是第一位數據位的中間1/3部分S1區，即箭頭所指部位。此后的數據位、校驗位和停止位的采樣間隔都是3×TS，當所有采樣點均落在碼元的中間1/3部分時，采樣數據最可靠。
3 、結束語
用FPGA實現UART功能，可以減小系統的面積，降低系統的功耗，提高系統的穩定性，這種硬件軟件化的方法已經成為當今電子設計領域中的主導趨勢。在實際應用中，我們將文中實現的UART電路作為一個功能塊嵌入到一個FPGA實現的數據采集與處理系統中，成功地實現了和遠端PC機間的異步串行通信。實驗證明了該UART電路設計簡單、工作穩定。
本文作者創新觀點：本文將UART系統結構進行了模塊化分解，使之適應自頂向下的設計方法，并采用狀態機對核心電路部分進行了描述，使控制邏輯直觀簡單，大幅度提高了設計效率，特別是對接收電路采用了高速多倍率采樣法進行實現，降低了誤碼率，使采樣數據更為可靠。
責任編輯：gt
工商網監
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