基于VHDL的異步串行通信電路設計
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1引言
隨著電子技術的發展，現場可編程門陣列FPGA和復雜可編程邏輯器件CPLD的出現，使得電子系統的設計者利用與器件相應的電子CAD軟件，在實驗室里就可以設計自己的專用集成電路ASIC器件。這種可編程ASIC不僅使設計的產品達到小型化、集成化和高可靠性，而且器件具有用戶可編程特性，大大縮短了設計周期，減少了設計費用，降低了設計風險。目前數字系統的設計可以直接面向用戶需求，根據系統的行為和功能要求，自上至下地逐層完成相應的描述﹑綜合﹑優化﹑仿真與驗證，直到生成器件，實現電子設計自動化。其中電子設計自動化（EDA）的關鍵技術之一就是可以用硬件描述語言（HDL）來描述硬件電路。VHDL是用來描述從抽象到具體級別硬件的工業標準語言，它是由美國國防部在80年代開發的HDL,現在已成為IEEE承認的標準硬件描述語言。VHDL支持硬件的設計、驗證、綜合和測試，以及硬件設計數據的交換、維護、修改和硬件的實現，具有描述能力強、生命周期長、支持大規模設計的分解和已有設計的再利用等優點。利用VHDL這些優點和先進的EDA工具，根據具體的實際要求，我們可以自己來設計串口異步通信電路。
2串口異步通信的幀格式和波特率
2.1串行異步通信的幀格式
在串行異步通信中，數據位是以字符為傳送單位，數據位的前、后要有起始位、停止位，另外可以在停止位的前面加上一個比特位(bit)的校驗位。其幀格式如圖1所示。
起始位是一個邏輯0，總是加在每一幀的開始，為的是提醒數據接收設備接收數據，在接收數據位過程中又被分離出去。數據位根據串行通信協議，允許傳輸的字符長度可以為5、6、7或8位。通常數據位為7位或8位，如果要傳輸非ASCII數據（假如使用擴展字符設置的文本或者二進制數據），數據位格式就需要采用8位。數據位被傳輸時從一個字符的最低位數據開始，最高位數據在最后。例如字母C在ASCII表中是十進制67，二進制的01000011，那么傳輸的將是11000010。校驗位是為了驗證傳輸的數據是否被正確接收，常見的校驗方法是奇、偶校驗。另外校驗位也可以為0校驗或者1校驗，即不管數據位中1的個數是多少，校驗位始終為0或者1，如果在傳輸的過程中校驗位發生了變化，這就提示出現了某類錯誤。不過，在傳輸數據的時候，也可以不用校驗位。停止位，為邏輯1，總在每一幀的末尾，可以是1位、1.5位或者2位。最常用的是1位，超過1位的停止位通常出現在這樣的場合：在處理下一個即將發送來的字符之前接收設備要求附加時間。
2.2串行異步通信的波特率
串行口每秒發送或接收數據的位數為波特率。若發送或接收一位數據需要時間為t，則波特率為1/t,相應的發送或接收時鐘為1/tHz。發送和接收設備的波特率應該設置成一致，如果兩者的波特率不一致，將會出現校驗錯或者幀錯。
3串行發送電路的設計
為簡化電路設計的復雜性，采用的幀格式為：1位開始位+8位數據位+1位停止位，沒有校驗位，波特率為9600。
3.1波特率發生器的設計
要產生9600波特率，要有一個不低于9600Hz的時鐘才可以。為產生高精度的時鐘，我選了6MHz（6M能整除9600）的晶振來提供外部時鐘。當然，你也可以選其它頻率的時鐘來產生9600Hz的時鐘。對于6MHz時鐘，需要設計一個625進制的分頻器來產生9600波特率的時鐘信號。用VHDL設計分頻器較簡單，在這里就不再給出源程序了。
3.2發送電路的設計
根據采用的幀格式,需要發送的數據為10位(1位開始位、8位數據位、1位停止位)，在發送完這10位后，就應該停止發送，并使發送端電平處于邏輯1，然后等候下次的發送。下面是實現上述功能的VHDL源程序：
libraryieee;
useieee.std_logic_1164.all;
entityComis
port(clk,en:instd_logic;
Send_data:instd_logic_vector(9downto0);
serial:outstd_logic);
endcom;
architecturecom_arcofcomis
begin
process(clk)
variablecount:integerrange0to9:=0;
begin
ifen=‘0‘then
count:=0;
serial=‘1‘;
elsifrising_edge(clk)then
ifcount=9then
serial=Send_data(9);
else
serial=Send_data(count);
count:=count+1;
endif;
endif;
endprocess;
endcom_arc;
其中，Send_data(0to9)表示需要發送的數據幀，發送時，開始位Send_data(0)必須為邏輯0，停止位Send_data(9)必須為邏輯1，否者與硬件電路連接的設備接收到的數據會出現錯誤。在發送每一幀之前，首先給輸入端en一個低電平脈沖，讓電路復位(count置0)，然后開始發送。變量count在進程中用來記錄發送的數據數目，當數據幀發送完后，發送端就一直發送停止位(邏輯1)。
3.3時序仿真
選EDA工具，對VHDL源程序編譯。用的是Altera公司的MAX+plusII9.3Baseline，這個工具支持VHDL的編譯、仿真。圖2是編譯后的仿真結果，其中，Clk為頻率9600Hz的時鐘，Send_data0為開始位，Send_data[8..0]為數據位，Send_data9為停止位。結果顯示，輸出完全是按數據幀格式發送的。
4串行接收電路的設計
接收電路比發送電路要復雜，接收電路要時實檢測起始位的到來，一旦檢測到起始位到，就要將這一幀數據接收下來。為提高接收的準確性，減少誤碼率，每一位數據都用3倍頻的波特率對數據進行采樣（如圖3所示），然后對3次采樣結果進行判決：如果3次采樣中至少有2次為高電平，則接收這一位數據被判決為高電平，否者，為低電平。
4.1波特率發生器和采樣時鐘的設計
為完成3次采樣，除了頻率為9600Hz的接收時鐘外，還要有一個3倍頻的采樣時鐘。下面是實現上述功能的VHDL源程序：
libraryieee;
useieee.std_logic_1164.all;
entitycount625is
port(clk,en:instd_logic;Clock1,Clock3:outstd_logic);
endcount625;
architecturecount625_arcofcount625is
begin
process(clk,en)
variablecount:integerrange0to625:=0;
begin
ifen=‘0‘then
NUll;
elsif(rising_edge(clk))then
count:=count+1;
ifcount=625then
Clock1=‘1‘;count:=0;
else
Clock1=‘0‘;
endif;
if(count=100orcount=300orcount=500)then
Clock3=‘1‘;
else
Clock3=‘0‘;
endif;
endif;
endprocess;
endcount625_arc;
其中clk為6MHz的時鐘；en控制波形的產生；Clock1為9600Hz的接收時鐘；Clock3為3倍頻的采樣時鐘。
4.2接收電路的設計
串行接收電路首先要能判斷接收數據的到來，即每一幀的開始，然后對數據進行3次采樣，最后判決輸出。為簡化設計，幀格式仍然采用1位開始位+8位數據位+1位停止位。下面是設計的接收電路VHDL程序：
libraryieee;
useieee.std_logic_1164.all;
entitycom_receive10is
port(com,clr,clk1,clk3:instd_logic;Q:outstd_logic_vector(0to9);Valid:outstd_logic);
endcom_receive10;
architecturecom_receive10_arcofcom_receive10is
SignalEnable:std_logic:=‘1‘;
SignalHold:std_logic:=‘0‘;
SignalN:std_logic_vector(0to2):="000";
begin
Valid=EnableandHold;
process(clk1,clr)
variableNum:integerrange0to9:=0;
begin
ifclr=‘0‘then
Enable=‘1‘Num:=0;Q="0000000000";
elsif(rising_edge(clk1))then
Q(Num)=(N(0)andN(1))or(N(1)andN(2))or(N(0)andN(2));
ifNum=9then
Enable=‘0‘;Num:=0;
else
Num:=Num+1;
endif;
endif;
endprocess;
process(clk3,clr)
variablem:integerrange0to2:=0;
begin
ifclr=‘0‘then
m:=0;
elsif(rising_edge(clk3))then
N(m)=com;
ifm=2then
m:=0;
else
m:=m+1;
endif;
endif;
endprocess;
process(clr,com)
begin
ifclr=‘0‘then
Hold=‘0‘;
elsiffalling_edge(com)then
Hold=‘1‘;
endif;
endprocess;
endcom_receive10_arc;
其中，N(m)=com用來對波形采樣；Q(Num)=(N(0)andN(1))or(N(1)andN(2))or(N(0)andN(2))是對其中1位數據的3次采樣結果判決；Num用來記錄接收的數據位數；falling_edge(com)是用來時實檢測每一幀的起始位（即下降沿）的到來；Valid=EnableandHold用來輸出到波特率發生器電路單元控制時鐘的產生，最后將一幀的10位數據輸出。
用MAX+plusII9.3Baseline將上面兩個VHDL文件制成庫器件，然后在電路圖上調出來，最后做成的串行接收電路圖如圖4所示。
4.3時序仿真
時序仿真如圖5所示，Receive為接收到的序
列波形，最后結果：接收到的數據位為6D，起始位為0，停止位為1。
5結束語
VHDL語言設計的出現從根本上改變了以往數字電路的設計模式,使電路設計由硬件設計轉變為軟件設計,這樣提高了設計的靈活性,降低了電路的復雜程度,修改起來也很方便。利用VHDL設計的靈活性，根據串行通信協議的要求，可以在實驗室利用先進的EDA工具，用VHDL設計出符合自己實際需求的異步串行通信電路。
本文設計出的基于VHDL異步串行通信電路，在實驗室已經與計算機串口RS-232進行了通信實驗(注意：TTL和RS-232邏輯電平的轉換)。實驗證明，0至255的所有數據都能被正確收、發。
參考文獻：
[1]ARMSTRONGJR，FRAYFG.VHDL設計表示和綜合[M].李宗伯，王蓉暉譯.北京：機械工業出版社，2002.
[2]SKAHILLK.可編程邏輯系統的VHDL設計技術[M].朱明程，孫普譯.南京：東南大學出版社,1998.
[3]仇玉章.微型計算機系統接口技術[M].南京：江蘇科技出版社,1997.
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