基于FPGA 的UART 串行通信參數(shù)自適應(yīng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊 洋，和 蕾，王 旭，錢祥利，陳 飛，李 靜

（山東管理學(xué)院智能工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250357）

通用異步收發(fā)傳輸（Universal Asynchronous Rece iver/Transmitter，UART)遵循串行通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[1]，以其通信線路簡單、信息傳輸穩(wěn)定等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種微處理器與嵌入式系統(tǒng)，并作為標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)之一。

1 通信參數(shù)自動(dòng)配置設(shè)計(jì)方案

UART 采用異步全雙工通信模式，由于沒有專用時(shí)鐘信息線，因此數(shù)據(jù)發(fā)送方與接收方必須采用相同的傳輸速率，稱之為波特率，常用波特率有4 800 bps、9600 bps、19200bps、38 400bps、43000 bps、56 000 bps、57 600 bps、115 200 bps 等。UART 數(shù)據(jù)傳輸鏈路以數(shù)據(jù)幀為基本單元，如圖1 所示，一幀數(shù)據(jù)包括起始位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位與停止位，其中數(shù)據(jù)位長度為5～8 bit，校驗(yàn)?zāi)Ｊ娇蛇x奇校驗(yàn)或偶校驗(yàn)，并可以選擇是否采用校驗(yàn)位，停止位長度可選1 bit、1.5 bit、2 bit，采用何種數(shù)據(jù)格式將視當(dāng)前UART 鏈路傳輸要求而定。

圖1 UART串行異步通信數(shù)據(jù)格式

UART 通信鏈路的建立要求發(fā)送設(shè)備與接收設(shè)備具有一致的波特率與數(shù)據(jù)格式，否則會導(dǎo)致通信失敗。為了使接收設(shè)備能夠適應(yīng)來自各種不同波特率發(fā)送設(shè)備的通信鏈路，而無需事先建立波特率，很多MCU 或嵌入式處理器在硬件或軟件層面集成了自動(dòng)波特率檢測功能[2-4]，能夠自動(dòng)檢測到主設(shè)備的波特率并進(jìn)行配置，達(dá)到自適應(yīng)的目的。但是傳統(tǒng)的方法僅局限于波特率的自適應(yīng)檢測，尚不能對數(shù)據(jù)格式進(jìn)行自動(dòng)配置，當(dāng)串行通信鏈路數(shù)據(jù)格式變更時(shí)，就無法自動(dòng)建立通信鏈路。為了改變現(xiàn)有技術(shù)存在的弊端，使UART 串行通信自適應(yīng)的方法擁有更強(qiáng)的實(shí)用性，文中提出了串行通信參數(shù)自適應(yīng)的概念，介紹了一種可靠的實(shí)現(xiàn)串行通信波特率、數(shù)據(jù)格式自動(dòng)配置的方法，并基于Xilinx Artix-7 FPGA實(shí)現(xiàn)了UART 接口的模塊化設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證。

UART 串行通信參數(shù)自動(dòng)配置在數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行，新的傳輸鏈路發(fā)起或者改變當(dāng)前波特率、數(shù)據(jù)格式時(shí)，將進(jìn)行通信參數(shù)的自適應(yīng)配置。通信參數(shù)自適應(yīng)采用特征值匹配的方法，包括參數(shù)配置字的發(fā)送、接收以及參數(shù)自適應(yīng)與配置。如圖2 所示，配置字的固定長度為10 位，從功能上劃分為字頭波特率同步碼與數(shù)據(jù)格式配置碼。從機(jī)首先接收并檢測波特率同步碼，得到串行通信波特率，并以此波特率接收配置字節(jié)的數(shù)據(jù)格式配置碼，并將其寫入?yún)?shù)配置寄存器（SERIAL_CONFIG），完成通信參數(shù)的自動(dòng)配置，建立串行通信的連接。

圖2 串行通信配置字節(jié)格式以及接收模式

1.1 波特率自適應(yīng)檢測

傳統(tǒng)的自動(dòng)波特率檢測方法主要有兩種：最小數(shù)法與固定數(shù)據(jù)傳輸法[5-6]，最小數(shù)法是通過不斷檢測最小的脈沖寬度并與數(shù)據(jù)位脈寬比較，得到串行通信波特率值；固定數(shù)據(jù)傳輸法是通過發(fā)送特定配置數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)波特率信息的傳輸。第一種方法的缺點(diǎn)是波特率的識別與判定非常依賴于發(fā)送數(shù)據(jù)的內(nèi)容，需要不斷重復(fù)檢測，檢測效率低、握手時(shí)間慢。考慮到該設(shè)計(jì)不僅要完成波特率自適應(yīng)檢測，還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的自動(dòng)配置，所以將波特率與數(shù)據(jù)格式捆綁為參數(shù)特征值，采用固定參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ā?/p>

為高效、快速地實(shí)現(xiàn)波特率檢測，對傳統(tǒng)的固定數(shù)據(jù)傳輸法進(jìn)行改進(jìn)，采用特征值匹配法[7]與查表法[8]相結(jié)合的方式。如圖2 所示，配置字節(jié)中前3 位設(shè)定為波特率同步碼，將其作為波特率檢測的特征值，接收機(jī)利用邊沿檢測電路捕獲特征值，并通過時(shí)鐘計(jì)數(shù)器測量邊沿時(shí)間，完成對波特率同步碼的時(shí)間測量[9]。為消除邊沿檢測有可能引發(fā)的亞穩(wěn)態(tài)，采用兩級D 觸發(fā)器進(jìn)行邊沿檢測[10]。時(shí)鐘計(jì)數(shù)區(qū)間包含2 bit 脈沖寬度，采用100 MHz 的系統(tǒng)時(shí)鐘作為時(shí)鐘激勵(lì)，其頻率遠(yuǎn)大于波特率。通過計(jì)算可得，通信采用115 200 bps 的波特率時(shí)，時(shí)鐘計(jì)數(shù)的時(shí)間測量誤差比小于0.12%，因此，能夠保證很高的時(shí)間測量精度。波特率的理論計(jì)算公式為：

由于標(biāo)準(zhǔn)波特率在有限的幾個(gè)固定數(shù)值之間變化，同時(shí)為了減小FPGA 運(yùn)算資源的開銷，可采用查表法得到鏈路波特率。時(shí)鐘計(jì)數(shù)范圍與對應(yīng)波特率的對照表如表1 所示，由此得到串行通信的波特率。然后將對應(yīng)的波特率配置碼暫存到通信參數(shù)配置寄存器SERIAL_CONFIG 的低4 位，供串行通信接收、發(fā)送模塊讀取調(diào)用。

表1 波特率、時(shí)鐘計(jì)數(shù)范圍與參數(shù)配置寄存器SERIAL_CONFIG低4位配置碼對照表

1.2 通信數(shù)據(jù)格式的自動(dòng)配置

圖3 為邊沿檢測、時(shí)鐘計(jì)數(shù)與數(shù)據(jù)格式配置碼接收采樣信號的時(shí)序關(guān)系，在得到當(dāng)前通信鏈路的波特率后，通過波特率發(fā)生器模塊(Baud Rate Generator)生成波特率采樣時(shí)鐘信號[11]，完成配置字節(jié)中數(shù)據(jù)格式配置碼（2～7 bit）的接收，此時(shí)配置字節(jié)的1 bit 起到“偽起始位”的作用，為配置碼接收提供一個(gè)波特率位的時(shí)間緩沖。波特率發(fā)生器是通過對系統(tǒng)時(shí)鐘（100 MHz）分頻得到波特率采樣時(shí)鐘信號，分頻因子[12]作為時(shí)鐘計(jì)數(shù)寄存器的向上溢出值，其計(jì)算方法如下：

圖3 串行通信配置字節(jié)接收過程時(shí)序關(guān)系

數(shù)據(jù)接收采樣設(shè)定在1/2 的分頻因子位置，即在波特率信號周期的中間位置，這樣能夠提高串行通信對波特率誤差的容忍范圍[13-14]。

如表2 所示，數(shù)據(jù)格式配置碼接收完畢后暫存到SERIAL_CONFIG 的4～9 位。該寄存器能夠被參數(shù)接收模塊、數(shù)據(jù)收發(fā)模塊訪問，參數(shù)接收模塊對其具有寫入權(quán)限，數(shù)據(jù)收發(fā)模塊對其具有讀取權(quán)限。

表2 串行通信數(shù)據(jù)格式對在參數(shù)配置寄存器中的配置碼

2 UART模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)通信參數(shù)自適應(yīng)的UART 通信方案，基于Xilinx Artix-7 系列FPGA 與Vivado 開發(fā)平臺[15]，利用Verilog HDL 硬件描述語言，從邏輯電路層面實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)。整體設(shè)計(jì)從功能可劃分為4 個(gè)模塊單元:TX module（發(fā)送模塊）、Baud Rate Generator（波特率產(chǎn)生器）、Parameters RX（參數(shù)接收模塊）與Data RX（數(shù)據(jù)接收模塊）。基于FPGA 的串行通信功能模塊結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 基于FPGA的串行通信功能模塊結(jié)構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

在串行通信參數(shù)配置完畢后，發(fā)送模塊便可對通信參數(shù)寄存器進(jìn)行讀取。如圖4 所示，發(fā)送控制器是發(fā)送模塊的控制核心，在數(shù)據(jù)發(fā)送鏈路建立之初，讀取寄存器中波特率信息、數(shù)據(jù)格式信息。發(fā)送控制器的主要作用還包括：

1）將波特率時(shí)鐘轉(zhuǎn)化為發(fā)送狀態(tài)時(shí)序。在該時(shí)序的控制下，數(shù)據(jù)字節(jié)的各位將按照波特率時(shí)鐘頻率發(fā)送至TX 總線，無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)保持高電平。

2）根據(jù)數(shù)據(jù)格式控制發(fā)送內(nèi)容，包括數(shù)據(jù)位長、停止位長、有無校驗(yàn)位，如果存在校驗(yàn)位，將根據(jù)校驗(yàn)?zāi)Ｊ教砑悠婊蚺夹ｒ?yàn)位。通過控制移位寄存器，實(shí)現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換。

2.2 配置參數(shù)與數(shù)據(jù)接收

接收模塊在波特率采樣時(shí)鐘激勵(lì)下進(jìn)行配置參數(shù)與數(shù)據(jù)的接收，可進(jìn)一步分為參數(shù)接收模塊與數(shù)據(jù)接收模塊。配置參數(shù)的接收優(yōu)先于數(shù)據(jù)接收。接收控制器作為接收模塊的控制核心，其主要作用有3個(gè)方面：

1）控制波特率檢測、配置參數(shù)接收和數(shù)據(jù)接收（或發(fā)送）的優(yōu)先級劃分，其中波特率檢測具有最高的優(yōu)先級，數(shù)據(jù)收發(fā)具有最低的優(yōu)先級。

2）對RX 進(jìn)行持續(xù)邊沿檢測，確定發(fā)送起始位的到來，并將波特率時(shí)鐘轉(zhuǎn)化為接收狀態(tài)轉(zhuǎn)化時(shí)序。

3）控制接收移位寄存器，對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，實(shí)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)化。按照數(shù)據(jù)格式，控制接收的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)長度和校驗(yàn)。

接收控制器對接收優(yōu)先級的控制是通過有限狀態(tài)機(jī)[16]來實(shí)現(xiàn)的，配置參數(shù)寄存器的高2 位用于標(biāo)識串行通信參數(shù)的接收情況（波特率、數(shù)據(jù)格式）。如圖5 所示，當(dāng)檢測到信號下降沿，如果通信參數(shù)配置完畢，接收狀態(tài)機(jī)進(jìn)入左側(cè)的配置參數(shù)接收狀態(tài)支路，否則進(jìn)入配置參數(shù)接收支路。

圖5 配置參數(shù)與數(shù)據(jù)接收的有限狀態(tài)機(jī)

配置參數(shù)接收狀態(tài)包括空閑狀態(tài)、時(shí)鐘計(jì)數(shù)狀態(tài)、配置碼接收狀態(tài)、停止位；數(shù)據(jù)接收狀態(tài)機(jī)與配置參數(shù)接收狀態(tài)機(jī)共用空閑與停止位接收狀態(tài)，其還包括數(shù)據(jù)位接收、奇偶校驗(yàn)。在接收數(shù)據(jù)位時(shí)，在接收控制器的作用下，根據(jù)數(shù)據(jù)位長度及已經(jīng)接收到的數(shù)據(jù)位，選擇是否跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)狀態(tài)，并根據(jù)SERIAL_CONFIG 的第6 位確定下一個(gè)狀態(tài)為校驗(yàn)狀態(tài)還是停止?fàn)顟B(tài)。如果為校驗(yàn)狀態(tài)，則根據(jù)SERIAL_CONFIG 的第7 位來確定校驗(yàn)?zāi)Ｊ讲⑦M(jìn)行奇（或偶）偶校驗(yàn)。最后，完成數(shù)據(jù)的存儲，并且給出數(shù)據(jù)是否成功接收或者校驗(yàn)錯(cuò)誤標(biāo)識碼。

3 仿真驗(yàn)證與測試結(jié)果

3.1 UART功能仿真

基于Vivado 仿真平臺進(jìn)行串行通信參數(shù)自適應(yīng)的功能仿真，主要分兩個(gè)部分：串行通信參數(shù)的接收、數(shù)據(jù)的收發(fā)。

1）串行通信參數(shù)的接收

波特率檢測以及配置參數(shù)的接收仿真如圖6所示，仿真波特率為38 400 bps，通信數(shù)據(jù)格式為8 bit 數(shù)據(jù)位、奇校驗(yàn)、1 bit 停止位，配置碼為8b0001_1101。

圖6 波特率檢測以及串行通信參數(shù)接收功能仿真

當(dāng)接收模塊檢測到信號下降沿到來時(shí)，并且配置參數(shù)寄存器的高2 位為“00”，則進(jìn)入配置碼接收狀態(tài)，在接收控制器的作用下，參數(shù)接收狀態(tài)機(jī)變量（rx_config_status）由“0”（空閑）變?yōu)椤?”，進(jìn)行時(shí)鐘計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)大小為5 208。通過查找表得到波特率為38 400 bps，將其存儲碼（“0111”）寫入配置參數(shù)寄存器（SERIAL_CONFIG）的低4 位。

為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式配置碼的接收，波特率產(chǎn)生器生成38 400 bps 的采樣時(shí)鐘baud_clk，接收狀態(tài)由“1”跳轉(zhuǎn)到“2”（接收配置碼），利用采樣時(shí)鐘對2～6 bit 進(jìn)行中間采樣，接收配置碼為“111000”，將其存儲于配置參數(shù)寄存器中，同時(shí)將寄存器的最高位置1，標(biāo)識串行通信參數(shù)接收完畢。

2）數(shù)據(jù)的收發(fā)

如圖7（a）所示，仿真模擬主機(jī)發(fā)送16 進(jìn)制數(shù)據(jù)0x55，當(dāng)信號下降沿到來時(shí)，接收模塊首先檢測SERIAL_CONFIG 的最高位，如果串行通信參數(shù)已經(jīng)配置完畢，則進(jìn)入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)機(jī)。

圖7 串行通信數(shù)據(jù)收發(fā)功能仿真

接收狀態(tài)機(jī)寄存器變量rx_state 表示空閑狀態(tài)（0）、起始位（1）、數(shù)據(jù)位（2）、校驗(yàn)位（3）、停止位（4）5 個(gè)接收狀態(tài)，并在接收控制器的作用下進(jìn)行狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)。波特率產(chǎn)生器生成38 400 bps 對應(yīng)的采樣時(shí)鐘信號baud_clk，進(jìn)行數(shù)據(jù)的中間采樣接收，最終完成數(shù)據(jù)0x55 的成功接收，并進(jìn)行奇校驗(yàn)，且校驗(yàn)無誤。

圖7（b）為發(fā)送模塊功能仿真，當(dāng)發(fā)送模塊接收到發(fā)送指令信號tx_data_tvalid，對寄存器變量數(shù)據(jù)tx_data進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，輸送至uart_tx 信號線，并由發(fā)送控制器計(jì)算得到奇校驗(yàn)碼，添加至數(shù)據(jù)位尾部一并發(fā)送。

3.2 UART模塊測試與綜合結(jié)果分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證UART自適應(yīng)串行參數(shù)配置接口的可靠性與穩(wěn)定性，將Artix-7FPGA開發(fā)板與PC進(jìn)行聯(lián)機(jī)測試。PC 作為主機(jī)，集成了參數(shù)自適應(yīng)功能的FPGA 開發(fā)板作為從機(jī)，在PC端利用串口調(diào)試助手發(fā)送配置參數(shù)，建立串行通信鏈路，進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)測試。

該測試采用中、低、高3 個(gè)波特率：9 600 bps、1 200 bps、115 200 bps，分別進(jìn)行測試，每個(gè)波特率分別采用奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)、無校驗(yàn)3 種校驗(yàn)?zāi)Ｊ剑瑪?shù)據(jù)位分別采用5～8 bit、停止位采用1～2 bit 長度，進(jìn)行多組測試。測試結(jié)果表明FPGA 端的自適應(yīng)串行參數(shù)接口能夠準(zhǔn)確的獲取串行通信參數(shù)，并能夠建立穩(wěn)定的通信鏈接。

4 結(jié)束語

文中基于FPGA實(shí)現(xiàn)通用異步串行通信的參數(shù)自動(dòng)配置方法，利用特征值匹配與查表法相結(jié)合的方式，成功實(shí)現(xiàn)了波特率與數(shù)據(jù)格式的自適應(yīng)檢測以及自動(dòng)配置。基于Xilinx Artix-7 系列FPGA，利用Verilog 硬件描述語言實(shí)現(xiàn)了該方案的UART接口的硬件電路設(shè)計(jì)。仿真與測試表明，該方法能夠快速、穩(wěn)定地建立串行通信鏈路。整體設(shè)計(jì)具有很高的完整性和穩(wěn)定性。

這種方法突破了傳統(tǒng)的波特率自適應(yīng)方法，不僅可以實(shí)現(xiàn)波特率的自適應(yīng)，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)串行通信參數(shù)中數(shù)據(jù)格式的自動(dòng)配置，對通用串行通信的應(yīng)用方法進(jìn)行了補(bǔ)充與完善，具有很高的實(shí)用意義。