摘 要: 在Altera Cyclone II平臺上采用“自頂向下”的模塊化設(shè)計思想及VHDL硬件描述語言,設(shè)計了串行通信控制系統(tǒng)。在Quartus II軟件上編譯、仿真后下載到FPGA芯片EP2C5Q208上,進行在線編程調(diào)試,實現(xiàn)了串行通信控制功能?;贔PGA的系統(tǒng)設(shè)計調(diào)試維護方便、可靠性高,而且設(shè)計具有靈活性,可以方便地進行擴展和移植。
關(guān)鍵詞: FPGA;通信控制系統(tǒng);模塊化;VHDL
基于現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的系統(tǒng)開發(fā)可以廣泛應(yīng)用于各行各業(yè),ASIC設(shè)計、通信、控制、電力電子等。其主要優(yōu)點有:設(shè)計周期短、功耗低,可實現(xiàn)更高集成度的數(shù)字系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)等。用戶可對FPGA內(nèi)部的邏輯模塊和I/O模塊重新進行配置,以實現(xiàn)數(shù)字邏輯電路以及基于FPGA的SRAM、查找表(LUT)等。FPGA還具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性,使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改,從而提高設(shè)計的可靠性、穩(wěn)定性和靈活性。傳統(tǒng)的設(shè)計中,F(xiàn)PGA的功能僅局限于集成電路的應(yīng)用和驗證,然而隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展,集成度更高,功耗更低,基于FPGA的電路設(shè)計將發(fā)揮出更大的優(yōu)勢,使得在一片F(xiàn)PGA中實現(xiàn)一個完備的數(shù)字處理系統(tǒng)成為可能[1-3]。本文提出的基于FPGA的串行通信控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn),是在Altera公司的FPGA Cyclone II芯片EP2C5的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的,運用VHDL語言編程,在Quartus II軟件上進行編譯、仿真,最終在FPGA開發(fā)板上成功實現(xiàn)下載和調(diào)試驗證。
1 串行通信控制系統(tǒng)的基本原理
基本的通信方式可分為并行通信和串行通信兩種。并行通信就是數(shù)據(jù)以成組的方式在多個并行信道上同時傳輸;而串行通信則是在傳輸過程中,二進制數(shù)據(jù)一位一位的通過一條通信信道,并且按照規(guī)定的規(guī)程依次傳輸,實現(xiàn)計算機與計算機或計算機與外部設(shè)備之間的通信(數(shù)據(jù)交換)。由于串行通信的收發(fā)方都只需要一條數(shù)據(jù)線,比較容易實現(xiàn),而且長距離傳輸時也更加可靠,因此其應(yīng)用十分廣泛[4]。
串行通信控制系統(tǒng)的模型如圖1所示,其基本原理是:信息源將待傳輸?shù)南⑥D(zhuǎn)換成原始電信號(如電話系統(tǒng)中的電話機就可看成是信息源);發(fā)送設(shè)備對原始電信號進行某種變換或處理,使電信號符合信道的傳輸特性要求;信道是信息傳輸?shù)耐ǖ溃诖型ㄐ艜r,代表信息的數(shù)字信號序列按時間順序一個接一個地在信道中傳輸;接收端從收到的信號中恢復(fù)出相應(yīng)的原始信號;受信者則將復(fù)原的原始信號轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的消息(如電話機將對方傳來的電信號還原成了聲音);噪聲源是信道中的所有噪聲及通信系統(tǒng)中噪聲的集合[5]。
2 系統(tǒng)整體設(shè)計方案
2.1 系統(tǒng)功能
(1)通過4×4鍵盤輸入0~F數(shù)據(jù),并將此輸入數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機,上位機可以準確接收所發(fā)送的數(shù)據(jù)。
(2)通過LED準確接收上位機串口調(diào)試助手發(fā)送的數(shù)據(jù)。
(3)波特率可分為2 400 b/s、4 800 b/s、9 600 b/s、19 200 b/s、38 400 b/s,并且可以隨意修改。
2.2 設(shè)計方案
整個設(shè)計在Altera Cyclone II平臺上采用了“自頂向下”的模塊化設(shè)計思想,并使用硬件描述語言VHDL對電路進行描述。
根據(jù)功能要求,系統(tǒng)可分為4×4鍵盤掃描輸入模塊、LED顯示模塊、接收模塊、發(fā)送模塊和波特率產(chǎn)生模塊5個功能模塊,系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。
設(shè)計原理為:4×4鍵盤掃描輸入模塊將所輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進制代碼傳輸給發(fā)送模塊,發(fā)送模塊再將此數(shù)據(jù)通過串口TXD發(fā)送到PC機;接收模塊通過串口RXD接收由上位機或串口調(diào)試助手發(fā)送的數(shù)據(jù),并且顯示在數(shù)碼管上;數(shù)據(jù)傳輸速率由波特率產(chǎn)生模塊的輸出頻率決定,可以根據(jù)需要進行設(shè)置,如可設(shè)置為2 400 b/s、4 800 b/s等。
3 功能子模塊的設(shè)計與實現(xiàn)
3.1 接收模塊的設(shè)計
接收模塊的主要功能為接收PC機發(fā)送8 bit二進制數(shù)。根據(jù)功能要求,采用VHDL硬件描述語言對其功能進行描述,模塊頂層設(shè)計文件如圖3所示,各端口分別為:bclkr(傳輸速率控制端,輸入波特率產(chǎn)生模塊的輸出頻率)、resetr(復(fù)位端)、rxd(接收端口,串行輸入)、r_ready(接收就緒)、rbuf(接收寄存器)。該模塊采用有限狀態(tài)機設(shè)計。
3.2 發(fā)送模塊的設(shè)計
發(fā)送模塊的主要功能是將鍵盤按鍵值以給定的波特率發(fā)送給PC機。本文的設(shè)計思想是:當不發(fā)送數(shù)據(jù)時,數(shù)據(jù)信號線表現(xiàn)為高電平,即空閑位;當開始發(fā)送數(shù)據(jù)后,數(shù)據(jù)信號為低電平,也就是起始位,為了保證能夠在發(fā)送數(shù)據(jù)時準確采樣,采用頻率為波特率16倍的輸入時鐘。輸入時鐘信號由波特率產(chǎn)生模塊的輸出提供。該模塊采用VHDL硬件描述語言進行描述,頂層設(shè)計文件如圖4所示,各端口分別為:bclkt(輸入時鐘)、resett(復(fù)位)、xmit_cmd_p(發(fā)送命令端)、txdbuf[7...0](發(fā)送緩沖器輸入端)、txd(發(fā)送數(shù)據(jù)端)、txd_done(發(fā)送完畢)。該模塊采用有限狀態(tài)機設(shè)計,根據(jù)功能要求,電路包括空閑、起始、等待、移位、停止5個狀態(tài)。
3.3 波特率產(chǎn)生模塊的設(shè)計
波特率產(chǎn)生模塊的主要功能:當輸入不同數(shù)據(jù)時,將對輸入的時鐘信號有不同的分頻比,從而產(chǎn)生不同的波特率。波特率發(fā)生器采用加法計數(shù)器來實現(xiàn)多種分頻。產(chǎn)生38 400 b/s的VHDL程序如下:
process(clk,bo)
begin
case bo is
when "100"=>clkout<=clk38400;
when others=>clkout<=null;
end case;
end process;
process(clk,res)
variable cnt5:integer range 39 downto 0;
begin
if res=′1′ then cnt5:=0; clk38400<=′0′; //復(fù)位
elsif rising_edge(clk) then
if cnt5>=39 then cnt5:=0;clk38400<=not clk38400;
//設(shè)置分頻系數(shù)38 400波特率
else cnt5:=cnt5+1;
end if;
end if;
end process;
波特率為38 400 b/s的仿真波形如圖5所示。其中,bo為波特率選擇設(shè)置端口,將其分配給FPGA開發(fā)板的3個撥動開關(guān),通過撥動開關(guān)輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)實現(xiàn)波特率設(shè)置;clk為系統(tǒng)時鐘信號,頻率為24 MHz;res為復(fù)位端;clkout為輸出時鐘,提供給接收和發(fā)送模塊,實現(xiàn)不同波特率傳輸。
3.4 鍵盤模塊設(shè)計
鍵盤模塊的主要功能是將按鍵轉(zhuǎn)換為8 bit二進制數(shù),該功能的實現(xiàn)過程為:對于4×4鍵盤,通常連接為4行、4列,因此,要識別按鍵,只需要知道是哪一行和哪一列即可。為了完成這一按鍵識別過程,本設(shè)計首先確定行值,如果讀入的4行均為高電平,則肯定沒有鍵按下,如果讀入的4行有一位為低電平,則對應(yīng)的該行肯定有一個鍵被按下,這樣便可以獲得按鍵的行值;然后通過加法計數(shù)器進行列掃描,獲得列值。將獲取到的行值和列值組合成一個8 bit的數(shù)據(jù),根據(jù)實現(xiàn)不同的編碼對每個按鍵進行匹配。鍵盤模塊仿真波形如圖6所示。
3.5 數(shù)碼管顯示模塊設(shè)計
數(shù)碼管顯示模塊的主要功能是將所接收到的數(shù)據(jù)在8 bit七段數(shù)碼管上進行顯示。本設(shè)計中使用的是兩個4 bit一體、共陰極型的七段數(shù)碼管。因此,數(shù)碼管中被輸入高電平的這一段將會被點亮,反之則不亮。應(yīng)用數(shù)碼管的這一特點,給數(shù)碼管相應(yīng)的段輸入高電平,從而實現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)的顯示。通過位選端口來控制,被選通的數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù),其余關(guān)閉。實現(xiàn)數(shù)碼管顯示的VHDL代碼如下[6]:
LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.all;
ENTITY led_display IS
PORT
(
ledclk: IN STD_LOGIC;
res: IN STD_LOGIC;
data: IN STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
ledout: OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
sel: OUT STD_LOGIC_VECTOR(2 downto 0)
);
END led_display;
ARCHITECTURE led_architecture OF led_display IS
BEGIN
process(ledclk,res,data)
begin
if ledclk′event and ledclk=′1′ then
if res=′1′ then ledout<="00000000";
end if;
case data is
when "00000000" =>ledout<="00111111";
//顯示數(shù)據(jù)0
when "00000001" =>ledout<="00000110";
//顯示數(shù)據(jù)1
when "00000010" =>ledout<="01011011";
//顯示數(shù)據(jù)2
: :
: :
when "00001111" =>ledout<="01110001";
//顯示數(shù)據(jù)F
when others =>null;
end case;
end if;
sel<="000"; end process;
END led_architecture;
4 系統(tǒng)下載與調(diào)試結(jié)果
在Quartus II 7.2中建立項目后,輸入頂層設(shè)計文件及各個模塊的VHDL程序代碼,編譯、仿真、管腳分配之后產(chǎn)生編程文件,將編程文件下載到FPGA芯片EP2C5Q208上,通過串口線連接實驗箱與PC機進行調(diào)試及驗證。通過FPGA的4×4鍵盤輸入0~F數(shù)據(jù),并發(fā)送給PC機,PC機可以正確接收到所發(fā)送的數(shù)據(jù);同時,通過PC機串口調(diào)試助手發(fā)送數(shù)據(jù)給FPGA時,F(xiàn)PGA也可以準確接收到相應(yīng)數(shù)據(jù),并且將接收到的數(shù)據(jù)在數(shù)碼管上顯示;改變波特率時也可以實現(xiàn)上述功能。實驗結(jié)果表明,本設(shè)計滿足設(shè)計要求。
本設(shè)計運用FPGA開發(fā)平臺將串行通信控制系統(tǒng)集成在一片Altera EP2C5芯片中,提高了系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性。同時,由于基于FPGA的系統(tǒng)設(shè)計能夠在現(xiàn)場進行編程及調(diào)試,具有很大的靈活性,可以方便地進行修改完善,用戶可以在不改變電路系統(tǒng)的情況下,進行反復(fù)編程和隨意修改。一旦設(shè)計成熟,也可以制成ASIC芯片,不但大大降低了設(shè)計風(fēng)險,也可以節(jié)約成本。
參考文獻
[1] 李迎九,肖柳明.基于FPGA的數(shù)字通信系統(tǒng)同步電路的設(shè)計[J].湘潭師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2005,27(1).
[2] KUNG Yingshieh, Chen Chiasheng, Wong Kiinging, et al. Development of a FPGA-based control IC for PMSM drive with adaptive fuzzy control[C]. Proceeding of IEEE Industial Electronics Society, IEOON 2005, 2005: 1544-1545.
[3] 潘松,黃繼業(yè).EDA技術(shù)與VHDL[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009.
[4] 宋兵躍,吳軍輝,黃斌.單片機的高效串行通信研究[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2010(1):27-29.
[5] 王興亮.通信系統(tǒng)原理教程[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2007.
[6] 李晶皎,李景宏,曹陽.邏輯與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.