1  引  言

串行通信實(shí)際上就是兩臺電子設(shè)備之間一位一位地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，它分為同步通信和異步通信兩類。異步串行通信無需數(shù)據(jù)時(shí)鐘、幀同步時(shí)鐘等時(shí)鐘信號，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是自同步的，完全依靠收發(fā)雙方約定的傳輸波特率和數(shù)據(jù)線自身的電平變化來正確地收發(fā)數(shù)據(jù)位流，而且又因?yàn)樗B線簡單，可以直接與PC機(jī)等帶異步串口的設(shè)備相連，同時(shí)它又采用RS 232電平，傳輸?shù)木嚯x要比同步通信的長。正因?yàn)橛猩鲜龅膬?yōu)點(diǎn)，異步串行通信被廣泛應(yīng)用在要進(jìn)行遠(yuǎn)距離遙測遙控的航天電子工程中。

但是，一般的處理器芯片都帶有同步串行接口，只有少數(shù)韻處理器，如TMS320F2XX、TMS320F24XX帶有速度相對較低的異步串口。為了實(shí)現(xiàn)那些沒有帶有異步串行接口的處理器能夠與其他設(shè)備進(jìn)行異步串行通信，可以采用復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD技術(shù)，并結(jié)合異步串行通信的協(xié)議，對異步串行通信接口電路進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，該方法開發(fā)周期短，并且CPLD的時(shí)序嚴(yán)格，速度較快，可編程性好，還可以用于完成電子系統(tǒng)的其他邏輯功能的設(shè)計(jì)，如實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的譯碼和專門的緩沖電路。這樣一塊電路板上的外圍元器件數(shù)量就大大減少，系統(tǒng)的靈活性更好，調(diào)試也變得簡單的多了，同時(shí)，系統(tǒng)的功能模塊完成后可以先通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真，再實(shí)際投入使用，降低了使用風(fēng)險(xiǎn)性。

2異步串行通信的原理

異步串行通信方式是把一個(gè)字符看作一個(gè)獨(dú)立的信息單元，并且字符出現(xiàn)在數(shù)據(jù)流中的相對時(shí)間是任意的，而每一個(gè)字符中的各位是以固定的時(shí)間傳送。因此這種方式在同一字符內(nèi)部是同步的，而字符間是異步的。

異步通信的主要特點(diǎn)是字符幀的傳輸格式，這樣就使得發(fā)送方可以在字符之間可根據(jù)實(shí)際的需要插入不同的時(shí)間問隔，即每一個(gè)字符的發(fā)送是隨機(jī)的。異步串行通信是以數(shù)據(jù)幀的格式傳送的，1個(gè)字符開始傳輸前，輸出線必須在邏輯上處于‘1’狀態(tài)，這稱為標(biāo)識態(tài)。傳輸一開始，輸出線由標(biāo)識態(tài)變?yōu)椤?’狀態(tài)，從而作為起始位。起始位后面為5～8個(gè)信息位，信息位由低到高排列，即第1位為字符的最低位，在同一傳輸系統(tǒng)中，信息位的數(shù)目是固定的。信息位后面為校驗(yàn)位，校驗(yàn)位可以按奇校驗(yàn)設(shè)置，也可以按偶校驗(yàn)設(shè)置，不過，校驗(yàn)位也可以不設(shè)置。最后的數(shù)位為‘1’，它作為停止位，停止位可為1位、1.5位或者2位。如果傳輸完1個(gè)字符以后，立即傳輸下一個(gè)字符，那么，后一個(gè)字符的起始位便緊挨著前一個(gè)字符的停止位了，否則，輸出線又會立即進(jìn)入標(biāo)識態(tài)，即邏輯上處于‘1’。圖1是兩個(gè)字節(jié)0XA0和0X67被傳輸?shù)膸母袷健?br />


在通信中發(fā)送方和接收方之間允許沒有共同的時(shí)鐘，所以在異步通信中，收發(fā)雙方取得同步的方法是采用在字符格式中設(shè)置起始位和停止位的辦法。每一個(gè)字符傳輸前，信號線上始終為高電平，一旦開始傳送就要先傳送一個(gè)低電平的起始位，這樣接收方就開始接收數(shù)據(jù)，從而與發(fā)送方保持同步(格式上的同步)。通信雙方可按使用需要隨時(shí)改變通信協(xié)議，即改變數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位長度和數(shù)據(jù)傳輸率。

3異步串行通訊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

異步串行通訊控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為控制邏輯電路和寄存器組兩大部分。在控制邏輯電路中，包括波特率控制電路、讀寫控制邏輯電路、發(fā)送控制電路、接收控制電路、調(diào)制解調(diào)器控制邏輯電路、中斷控制邏輯電路和內(nèi)部總線控制邏輯電路。寄存器組分為模式寄存器、控制寄存器和狀態(tài)寄存器。結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。



該異步串行通訊控制器提供的模式寄存器和控制寄存器，用來設(shè)定奇偶校驗(yàn)、傳輸速率、握手機(jī)制以及中斷。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，提供了3種奇偶校驗(yàn)選擇：不采用、奇校驗(yàn)或偶校驗(yàn)。傳輸速率的設(shè)定是通過向模式寄存器中設(shè)置特定的數(shù)值，來選擇波特率因子，再結(jié)合外部連入的時(shí)鐘信號就可以得出傳輸?shù)牟ㄌ芈柿恕Ｋ鼈冎g的關(guān)系是：時(shí)鐘頻率=波特率因子×波特率。

3.1發(fā)送數(shù)據(jù)模塊

串行異步通信的發(fā)送器的實(shí)現(xiàn)要比接收器簡單很多。沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器為空，發(fā)送器處于空閑狀態(tài)；當(dāng)檢測到發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器滿信號后，發(fā)送器開始發(fā)送起始位，同時(shí)8個(gè)數(shù)據(jù)位被并行裝入發(fā)送移位寄存器，停止位緊接著數(shù)據(jù)位指示數(shù)據(jù)幀結(jié)束。只有發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器為空時(shí)，待發(fā)送的數(shù)據(jù)才能被裝入，在設(shè)計(jì)中用一個(gè)TxE信號來告訴CPU此時(shí)控制器的發(fā)送寄存器為空。程序中使用計(jì)數(shù)器來保證發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)時(shí)鐘的正確。這里使用一個(gè)狀態(tài)機(jī)描述發(fā)送過程，圖3是發(fā)送器狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖。



3.2接收數(shù)據(jù)模塊

串行數(shù)據(jù)幀與接收時(shí)鐘是異步的，所以接收器功能實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵是接收器時(shí)鐘與每個(gè)接收字符的同步。一個(gè)有效的方法是接收器采用高速率時(shí)鐘對串行數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，通常采樣頻率是位時(shí)鐘頻率的整數(shù)倍，也就是選擇比較高的波特率因子。理論上倍數(shù)越高接收數(shù)據(jù)各位的分辨率越高，實(shí)際中一般最大選擇16倍。

接收器應(yīng)該盡可能地在靠近每個(gè)數(shù)據(jù)位周期的中心處進(jìn)行采樣。如果接收器能很好地預(yù)測起始位的開始，那么它可在起始位的下降沿到來之后，等待半個(gè)位周期再采樣數(shù)據(jù)位。此后，接收器每等待一個(gè)位周期采樣一個(gè)數(shù)據(jù)位，直至收到最后一位為止。

接收過程主要由一個(gè)3位狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，其狀態(tài)有空閑狀態(tài)、接收起始位、接收數(shù)據(jù)位、接收奇偶校驗(yàn)位以及接收停止位。每一個(gè)狀態(tài)表明了當(dāng)前正在接收到數(shù)據(jù)屬于哪一種字符，并且根據(jù)當(dāng)前接收字符的狀態(tài)驅(qū)動其他部件進(jìn)行合適的操作。狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)的轉(zhuǎn)換圖如圖4所示。

4基于CPLD的實(shí)現(xiàn)和仿真

可編程邏輯器件(PLD)是在20世紀(jì)80年代迅速發(fā)展起來的一種新型集成電路，隨著大規(guī)模集成電路的進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)了PAL和GAL邏輯器件，而復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD是在此邏輯器件基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它是由大量邏輯宏單元構(gòu)成的。通過配置，可以將這些邏輯宏單元形成不同的硬件結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)成不同的電子系統(tǒng)，完成不同的功能。正是CPLD的這種硬件重構(gòu)的靈活性，使得設(shè)計(jì)者能夠?qū)⒂糜布枋稣Z言(如VHDL或者Veritog HDL)描述的電路在CPLD中實(shí)現(xiàn)。這樣一來，同一塊CPLD能實(shí)現(xiàn)許多完全不同的電路結(jié)構(gòu)和功能。同時(shí)也大大簡化了系統(tǒng)的調(diào)試，從而能極大地縮短系統(tǒng)的研發(fā)周期。



于是我們在驗(yàn)證這一環(huán)節(jié)中，采用Xilinx公司的XC9500系列的XC95108 CPLD來驗(yàn)證該方案的合理性。在用VHDL語言實(shí)現(xiàn)圖2的功能時(shí)，采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，先設(shè)計(jì)一個(gè)TOP頂層模塊，它里面包括了接口控制電路模塊，調(diào)制解調(diào)模塊，發(fā)送模塊和接收模塊。其中接口控制電路模塊包含了圖2中的波特率控制邏輯電路，數(shù)據(jù)總線緩沖器和讀寫控制邏輯電路。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中比較復(fù)雜的部分就是接口控制電路的實(shí)現(xiàn)。在接口控制電路模塊中，設(shè)計(jì)了接收緩沖寄存器(RBR)，發(fā)送保持寄存器(THR)，中斷使能寄存器(IER)，中斷標(biāo)識寄存器(IIR)，模式選擇控制寄存器(LCR)，調(diào)制解調(diào)控制寄存器(MCR)，接收發(fā)送狀態(tài)寄存器(LSR)，調(diào)制解調(diào)狀態(tài)寄存器(MSR)，它們的存儲器映射地址分別設(shè)置為000～110，因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)中把控制器設(shè)計(jì)為不能同時(shí)接收和發(fā)送，所以接收緩沖寄存器(RBR)和發(fā)送保持寄存器(THR)共用一個(gè)地址。其中，模式選擇控制寄存器(LCR)用來設(shè)置，要發(fā)送數(shù)據(jù)的位數(shù)(從低到高發(fā)送)，奇偶校驗(yàn)位的位數(shù)和停止位的位數(shù)。

采用Xilinx公司的ISE工具發(fā)送和對接收這兩個(gè)關(guān)鍵模塊分別進(jìn)行仿真，發(fā)送模塊的時(shí)序波形圖如圖5所示，接收數(shù)據(jù)模塊的時(shí)序波形圖如圖6所示。



在發(fā)送模塊的仿真測試程序中，讓CPU的數(shù)據(jù)總線連續(xù)發(fā)送55H，AAH，5AH，A5H，并在控制器的模式控制寄存器中設(shè)置發(fā)送的數(shù)據(jù)位5位，1個(gè)奇偶校驗(yàn)位(偶校驗(yàn))，1個(gè)停止位。在TxRDYn信號變低的時(shí)候，開始發(fā)送一幀新的數(shù)據(jù)。根據(jù)圖5中數(shù)據(jù)輸出信號Sout上信號變化的情況可以驗(yàn)證該模塊設(shè)計(jì)是正確的。

在接收模塊仿真波形圖中，Sin信號是負(fù)責(zé)接收串行數(shù)據(jù)的信號線，RBR是該控制器內(nèi)部的緩沖寄存器，負(fù)責(zé)存儲經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，RxRDYn是控制器的外部信號，用來告訴CPU，控制器已經(jīng)轉(zhuǎn)換完一幀數(shù)據(jù)，CPU可以把數(shù)據(jù)從緩沖寄存器中取出。中斷信號INTR會在數(shù)據(jù)傳輸完后，產(chǎn)生一個(gè)正脈沖。在測試接收數(shù)據(jù)模塊的文件中，使產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的AAH和56H的串行數(shù)據(jù)，在圖6中可以看到在Sin信號每接收完一個(gè)數(shù)據(jù)幀后，數(shù)據(jù)便存入RBR寄存器，RBR寄存器的數(shù)據(jù)位AAH和56H，并且在AAH傳完后，RxRDYn立即變?yōu)榈碗娖健?br />
5  結(jié)語

本文在對異步串行通信協(xié)議進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際工程的需要，對異步串行通信控制器進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并結(jié)合CPLD器件，采用VHDL語言，對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證，通過最后時(shí)序仿真的波形圖得出了設(shè)計(jì)方案的正確，而且加載了該設(shè)計(jì)程序的CPLD在實(shí)際工程中能夠很好地與處理器進(jìn)行連接來收發(fā)數(shù)據(jù)，從而為那些沒有串行異步接口的處理器提供一個(gè)比較理想的設(shè)計(jì)方案。