基于VHDL的異步串行通信電路設(shè)計

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(shù)據(jù)位是以字符為傳送單位，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)接收設(shè)備接收數(shù)據(jù)，在接收數(shù)據(jù)位過程中又被分離出去。數(shù)據(jù)位根據(jù)串行通信協(xié)議，允許傳輸?shù)淖址L度可以為5、6、7或8位。通常數(shù)據(jù)位為7位或8位，如果要傳輸非ASCII數(shù)據(jù)（假如使用擴展字符設(shè)置的文本或者二進制數(shù)據(jù)），數(shù)據(jù)位格式就需要采用8位。數(shù)據(jù)位被傳輸時從一個字符的最低位數(shù)據(jù)開始，最高位數(shù)據(jù)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?shù)膶⑹?1000010。校驗位是為了驗證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)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(shù)據(jù)位中1的個數(shù)是多少，校驗位始終為0或者1，如果在傳輸?shù)倪^程中校驗位發(fā)生了變化，這就提示出現(xiàn)了某類錯誤。不過，在傳輸數(shù)據(jù)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(xiàn)在這樣的場合：在處理下一個即將發(fā)送來的字符之前接收設(shè)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(fā)送或接收數(shù)據(jù)的位數(shù)為波特率。若發(fā)送或接收一位數(shù)據(jù)需要時間為t，則波特率為1/t,相應(yīng)的發(fā)送或接收時鐘為1/tHz。發(fā)送和接收設(shè)備的波特率應(yīng)該設(shè)置成一致，如果兩者的波特率不一致，將會出現(xiàn)校驗錯或者幀錯。

3串行發(fā)送電路的設(shè)計

為簡化電路設(shè)計的復(fù)雜性，采用的幀格式為：1位開始位+8位數(shù)據(jù)位+1位停止位，沒有校驗位，波特率為9600。

3.1波特率發(fā)生器的設(shè)計
要產(chǎn)生9600波特率，要有一個不低于9600Hz的時鐘才可以。為產(chǎn)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(dāng)然，你也可以選其它頻率的時鐘來產(chǎn)生9600Hz的時鐘。對于6MHz時鐘，需要設(shè)計一個625進制的分頻器來產(chǎn)生9600波特率的時鐘信號。用VHDL設(shè)計分頻器較簡單，在這里就不再給出源程序了。

3.2發(fā)送電路的設(shè)計
根據(jù)采用的幀格式,需要發(fā)送的數(shù)據(jù)為10位(1位開始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位)，在發(fā)送完這10位后，就應(yīng)該停止發(fā)送，并使發(fā)送端電平處于邏輯1，然后等候下次的發(fā)送。下面是實現(xiàn)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(fā)送的數(shù)據(jù)幀，發(fā)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(shè)備接收到的數(shù)據(jù)會出現(xiàn)錯誤。在發(fā)送每一幀之前，首先給輸入端en一個低電平脈沖，讓電路復(fù)位(count置0)，然后開始發(fā)送。變量count在進程中用來記錄發(fā)送的數(shù)據(jù)數(shù)目，當(dāng)數(shù)據(jù)幀發(fā)送完后，發(fā)送端就一直發(fā)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(jié)果，其中，Clk為頻率9600Hz的時鐘，Send_data0為開始位，Send_data[8..0]為數(shù)據(jù)位，Send_data9為停止位。結(jié)果顯示，輸出完全是按數(shù)據(jù)幀格式發(fā)送的。

4串行接收電路的設(shè)計
接收電路比發(fā)送電路要復(fù)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(shù)據(jù)接收下來。為提高接收的準(zhǔn)確性，減少誤碼率，每一位數(shù)據(jù)都用3倍頻的波特率對數(shù)據(jù)進行采樣（如圖3所示），然后對3次采樣結(jié)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(shù)據(jù)被判決為高電平，否者，為低電平。

4.1波特率發(fā)生器和采樣時鐘的設(shè)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(xiàn)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(chǎn)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(shè)計
串行接收電路首先要能判斷接收數(shù)據(jù)的到來，即每一幀的開始，然后對數(shù)據(jù)進行3次采樣，最后判決輸出。為簡化設(shè)計，幀格式仍然采用1位開始位+8位數(shù)據(jù)位+1位停止位。下面是設(shè)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(shù)據(jù)的3次采樣結(jié)果判決；Num用來記錄接收的數(shù)據(jù)位數(shù)；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(fā)生器電路單元控制時鐘的產(chǎn)生，最后將一幀的10位數(shù)據(jù)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(diào)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(jié)果：接收到的數(shù)據(jù)位為6D，起始位為0，停止位為1。

5結(jié)束語

VHDL語言設(shè)計的出現(xiàn)從根本上改變了以往數(shù)字電路的設(shè)計模式,使電路設(shè)計由硬件設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖O(shè)計,這樣提高了設(shè)計的靈活性,降低了電路的復(fù)雜程度,修改起來也很方便。利用VHDL設(shè)計的靈活性，根據(jù)串行通信協(xié)議的要求，可以在實驗室利用先進的EDA工具，用VHDL設(shè)計出符合自己實際需求的異步串行通信電路。

本文設(shè)計出的基于VHDL異步串行通信電路，在實驗室已經(jīng)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(zhuǎn)換)。實驗證明，0至255的所有數(shù)據(jù)都能被正確收、發(fā)。

參考文獻：

[1]ARMSTRONGJR，F(xiàn)RAYFG.VHDL設(shè)計表示和綜合[M].李宗伯，王蓉暉譯.北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[2]SKAHILLK.可編程邏輯系統(tǒng)的VHDL設(shè)計技術(shù)[M].朱明程，孫普譯.南京：東南大學(xué)出版社,1998.

[3]仇玉章.微型計算機系統(tǒng)接口技術(shù)[M].南京：江蘇科技出版社,1997.