摘要：针对专用UART芯片兼容性和可移植性差的缺点，设计了一种用Verilog HDL语言描述，FPGA实现的UART模块，可有效实现微处理器和FPGA设备之间的串行数据通信，增强系统稳定性，节省开发成本。
关键词：UART FPGA 串行通信 Verilog HDL
中图分类号：TN919.7 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）10-0175-01
UART即通用异步收发器，是一种短距离串行传输接口，被广泛应用于微处理器和外设之间的串行通信。随着FPGA芯片的广泛应用，大量数字系统中需要处理微处理器和FPGA之间的数据通信。采用专用UART集成电路芯片，可移植性和兼容性不强，会降低系统稳定性和可靠性。如果把UART集成到FPGA器件内部，利用Verilog HDL语言描述其核心功能，制作成IP核，可增强系统稳定性。另外由于FPGA设计的灵活性和可移植性，能方便地对系统进行升级。
1 UART的工作原理
在发送端，将并行的数字信号转化成串行信号传输给另外一台设备；在接收端，将串行信号恢复成并行信号进行数据处理。UART只需两条信号线RXD接收数据、TXD发送数据和一条地线就可以完成全双工传输。由于UART是异步通讯，所以需要对数据进行同步，UART传输一帧数据时，首先发起始位低电平，接着发送D0～D78位数据和校验位，最后发送停止位的高电平。
串行数据发送时，由系统时钟分频得到波特率发生时钟，在其控制下将数据总线上的内容，加上起始位和停止位进行移位发送。接收时，需要一个远高于波特率的时钟信号对RXD不断取样，以保持接收器和发送器同步。在设计中，由系统时钟分频产生一个16倍于波特率的频率，即把一个位的数据分成16份。当检测到起始位的下降沿时，开始进行数据采样。采样的数据为一个位的第6，7，8三个状态，三个中取两个以上相同的值作为采样的结果，以避免干扰。当起始位的采样结果不是0时就判定为接收为错，把串行数据接收控制器的位计数器复位。当接收完数据后进行数据的输出，并把串行数据接收控制器的位计数器复位，等待下一数据的到来。
2 UART的实现
2.1 发送模块的实现
发送模块用于将并行数据转换成串行数据发送。用Verilog HDL语言编程时，分三个进程设计：波特率产生进程、读数据缓存进程和发送进程。波特率产生进程将系统时钟分频得到波特率时钟；读数据缓存进程读入并行数据，加上起始位和停止位组成一帧数据；发送进程将数据移位输出，并设定中断标志。本模块输入端口有：写使能信号WR，并行八位数据Datain，系统时钟clk。输出端口有：串行数据控制时钟clkout，串行数据输出TXD，中断标志位TI。
2.2 接收模块的实现
接收模块接收来自外部的串行数据，进行数据采集，根据配置去除数据的起始位、停止位和奇偶校验位，将其转换成并行的八位数据输出，并输出中断标志位。程序设计时，用两个进程实现。16倍波特率发生进程将系统时钟分频，产生一个16倍于波特率的时钟频率，用于数据采样；接收进程进行数据采集、数据接收和产生中断标志。本模块输入端口有：输入串行数据信号RXD，系统时钟clk。输出端口有：中断标志位RI，数据控制时钟输出clk_out，并行数据输出Dataout。
3 UART模块仿真
仿真采用Altera公司的Quartus II软件，设定波特率时钟为系统时钟5000次分频得到。发送模块仿真时，设置并行八位输入数据Datain为为：“01010101”。WR写使能信号高电平有效后，将数据加上起始位0和停止位1串行输出。数据传输完毕，TI中断标志置1。
接收模块仿真结果如图3.1所示。在输入一个低电平起始位后，串行输入八位数据“10100000”。输出clkout为系统时钟的312分频，即波特率时钟频率的16倍。RI为中断信号，在经过十个数据，即160个clkout之后，输出为1，表示1帧数据转换结束。Dataout为并行输出，输出结果从低位到高位为：“10100000”，与串行数据一致，转换结果正确。
4 结语
作为一种异步串行通信接口，UART因其传输线少，可靠性高，被广泛使用于系统设备之间的数据通信。本文采用Verilog HDL语言实现了UART的发送和接收功能，将此IP核集成到FPGA上，可解决传统UART芯片兼容性差的缺点，使系统更加紧凑可靠。
参考文献
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