基于Actel FPGA的多串口擴展方案

隨著現代電子技術的發展，接口技術在設計中占據越來越重要的地位。多串口動態擴展通信技術在現場工業控制、智能家居等領域應用越來越廣泛。在當前的多串口的擴展應用中，雖然市面上有部分的多串口擴展芯片，但是其可擴展的串口數量有限并且擴展的個數是固定的，而且這些擴展芯片普片存在著價格比較昂貴、芯片體積較大在電路板中占據很大的空間，功耗過高等問題。

基于Actel FPGA的多串口擴展設計采用了Actel公司高集成度，小體積，低功耗，低系統成本，高安全性和可靠性的小容量FPGA-A3P030進行設計，把若干接口電路的功能集成到A3P030中，實現了三路以上的串口擴展。該設計靈活性高，可根據需求靈活實現并行總線擴展三路UART或者SPI擴展三路UART，波特率可以靈活設置。

1 系統概述

本系統實現的UART擴展功能全部在具有3萬門邏輯單元的小容量低成本的A3P030上實現。采用A3P030的通用I／O模擬SPI接口或者并行總線接口，實現SPI接口或者并行總線接口到UART接口的功能轉換，同時在A3P030上實現UART串行收發單元的設計，最終實現不同接口到多路UART擴展的功能。系統設計及應用框圖如圖1所示。

基于Actel A3P030的多串口擴展具有如下的功能及特點。

·系統電源為1.5V的A3P030內核電壓和3.3V的I／O電壓；

·擴展的UART具有l位起始位，8位數據位，無校驗位，1位停止位；

·UART雙緩存鎖存接收／發送數據；

·波特率可以設置；

·可實現基于SPI或者并行總線的UART擴展；

·可實現并行總線擴展的中斷查詢；

·UART串行輸入濾波；

·SPI串行輸入濾波；

·兼容標準的UAKT、SPI等通信協議。

基于Actel的A3P030的多串口擴展設計除了具有高度的設計靈活性以外，還可以大大縮短產品的設計周期，加快產品上市速度。該設計方案所具有以下的優勢：設計采用Actel公司的FPGA來實現，具有高度的可靠性和安全性，滿足惡劣環境工作條件；完美的單芯片解決方案，Actel公司的FPGA無需配置芯片，上電即行；超低功耗，小封裝。

基于Actel FPGA的多串口擴展在現代設計中主要有以下幾個方面的應用：

·電信網絡：路由器、服務器等；

·現場工業控制系統，電力抄表等；

·智能家居控制系統，POS系統等。

2 引腳定義

基于Actel A3P030設計的多串口擴展I／O分布如圖2所示。其中左側為基于SPI接口擴展多路UART的引腳分布，右側為基于并行接口的多路UART擴展的I／O分布。

基于Actel A3P030的SPI接口擴展三路UAKT的I／O功能定義如表1所示。

基于Actel A3P030的并行總線接口擴展三路UART的I／O功能說明如表2所示。

3 時序操作

(1)基于SPI的讀寫

本設計的SPI擴展多路UART中，SPI讀寫操作與標準的SPI從設備的讀寫方式是完全一致的，設計采用時鐘上升沿發送數據，下降沿采集數據的方式(CPOL=0，CPHA=1)。SPI寫A串口的操作時序如圖3所示。

SPI讀取UART接收完成的幀數據時序比較簡單，主要是在SPI空閑狀態時(SPI設備既不發送也不接收數據的狀態)，當UART幀接收完成標志信號有效時把UART接收完成后的并行數據傳遞到SPI發送寄存器。SPI讀UART時序如圖4所示。

(2)基手并行總線的讀寫

基于并行接口的多串口擴展設計中，并行總線采用的是Intel總線時序。并口讀取UART接收寄存器的時序如圖5所示。在讀操作時，首先根據中斷信號來讀取中斷寄存器的數據并判定產生中斷的是哪路UART，然后再讀取數據。讀信號至少有效五個時鐘周期的時間，兩次讀操作的時間間隔必須大于兩個時鐘周期的時間，才能保證數據讀取正確。

并行接口寫UART如圖6所示。在并行接口寫UART發送寄存器時，寫脈沖至少保持一個時鐘周期，在寫脈沖的上升沿過后，地址、數據和UART的片選信號必須至少保持一個時鐘周期。且兩個相鄰的寫操作之間必須間隔s個以上的時鐘周期，這樣才能確保數據能正確寫入寄存器中。另外，寫UART發送寄存器前必須進行中斷查詢，中斷數據有效后就讀取中斷數據并進行判斷，然后進行寫操作。

在并口寫UART的時序中，clk為系統的時鐘，uart_sel為UART片選信號，當uart_sel=00時為選擇寫／kA串口，當uart_sel=01時為選擇寫入B串口，當uart_sel=10時為選擇寫入C串口。wr是寫信號，高電平有效，由于采用了雙向的i／o設計，并口不能同時進行讀寫，因此在寫信號有效的時候，讀信號rd必須置為低電平的無效狀態。

4 小結

本文主要介紹了基于Actel A3P030的多串口擴展設計，可實現并行總線或SPI接口的UART擴展，該方案具有體積小、低功耗、低系統成本、高度可靠性和安全性以及高度的設計靈活性等特點，是在多串口應用中取代其他花費高昂成本的專用UART擴展芯片的最佳解決方案。我們有著一個接近30人的FPGA團隊提供強有力的售后服務和技術支持，解決用戶在產品使用和研發過程中遇到的困難。若有更多的需求可以與我們聯系，我們將會竭誠為您服務，敬請關注下期的PPGA專題技術講座。