FPGA和单片机的串行通信接口设计

摘要：本文针对由FPGA构成的高速数据采集系统数据处理能力弱的问题，提出FPGA与单片机实现数据串行通信的解决方案。在通信过程中完全遵守RS232协议，具有较强的通用性和推广价值。

1 前言
    现场可编程逻辑器件（FPGA）在高速采集系统中的应用越来越广，由于FPGA对采集到的数据的处理能力比较差，故需要将其采集到的数据送到其他CPU系统来实现数据的处理功能，这就使FPGA系统与其他CPU系统之间的数据通信提到日程上，得到人们的急切关注。本文介绍利用VHDL语言实现 FPGA与单片机的串口异步通信电路。
    整个设计采用模块化的设计思想，可分为四个模块：FPGA数据发送模块，FPGA波特率发生控制模块，FPGA总体接口模块以及单片机数据接收模块。本文着重对FPGA数据发送模块实现进行说明。

2  FPGA数据发送模块的设计
    根据RS232 异步串行通信来的帧格式，在FPGA发送模块中采用的每一帧格式为：1位开始位+8位数据位+1位奇校验位+1位停止位，波特率为2400。本系统设计的是将一个16位的数据封装成高位帧和低位帧两个帧进行发送，先发送低位帧，再发送高位帧，在传输数据时，加上文件头和数据长度，文件头用555555来表示，只有单片机收到555555时，才将下面传输的数据长度和数据位进行接收，并进行奇校验位的检验，正确就对收到的数据进行存储处理功能，数据长度可以根据需要任意改变。由设置的波特率可以算出分频系数，具体算法为分频系数X=CLK/(BOUND*2)。可由此式算出所需的任意波特率。下面是实现上述功能的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的波特率时钟
      reset: in std_logic;                      --复位信号
        din: in std_logic_vector(15 downto 0);  --发送的数据
      start: in std_logic;                      --允许传输信号
       sout: out std_logic                      --串行输出端口
          );
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";       --发送的文件头
            elsif cou=3 then
            thr<="0000000000000010";                --发送的文件长度
            elsif (cou>3 and state=stop2) then thr<=din;--发送的数据
            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); --数据位
              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=>         --奇校验位
              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);--数据位
              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=>       --奇校验位
              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;
其中各信号的说明已在程序中标明了。波形仿真图如图2所示。
 
图2  FPGA数据发送时序仿真图
    图中Din写入值为3355H，波特率为2400Hz，Start信号始终置逻辑1，即随时都能发送数据。Reset信号逻辑1时复位，逻辑0时电路开始工作。THR是数据寄存器，文件头、数据长度以及数据位都先寄存到THR中，Len是数据长度，TSR是低8位数据帧寄存器，TSR1是高8位数据帧寄存器。数据长度Len定为02H，发送时先发送低8位55H，后发送高8位33H，一共发送两遍。发送的数据格式说明：当发送55H时，其二进制为01010101，则发送的数据的二进制数为00101010111（1位开始位+8位数据位+1位奇校验位+1位停止位）。
    单片机部分先对FPGA发送过来的文件头进行确认，正确就接收文件，否则放弃接收的数据。根据FPGA发送模块的协议，对串口控制寄存器SCON和波特率控制寄存器PCON的设置即可实现。

3 总结
    目前电子产品的开发中经常要综合运用EDA技术、计算机控制技术、数字信号处理技术，那么电路各部分经常需要数据交换。本文也是基于此给出这方面应用的实例，供开发者交流。

参考文献
[1] 潘松，黄继业著．EDA技术实用教程[M]．北京：科学出版社，2002．
[2] 林敏，方颖立著．VHDL数字系统设计与高层次综合[M]．北京：电子工业出版社，2002．
[3] 王振红著．VHDL数字电路设计与应用实践教程[M]．北京：机械工业出版社，2003．
[4] 徐维祥，刘旭敏著．单片微型机原理及应用[M]．大连：大连理工大学出版社，2002．