摘要：本文針對由FPGA構(gòu)成的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力弱的問題，提出FPGA與單片機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)串行通信的解決方案。在通信過程中*遵守RS232協(xié)議，具有較強的通用性和推廣價值。
　　
　　1、前言
　　
　　現(xiàn)場可編程邏輯器件（FPGA）在高速采集系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣，由于FPGA對采集到的數(shù)據(jù)的處理能力比較差，故需要將其采集到的數(shù)據(jù)送到其他CPU系統(tǒng)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理功能，這就使FPGA系統(tǒng)與其他CPU系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信提到日程上，得到人們的急切關(guān)注。本文介紹利用VHDL語言實現(xiàn)FPGA與單片機(jī)的串口異步通信電路。
　　
　　整個設(shè)計采用模塊化的設(shè)計思想，可分為四個模塊：FPGA數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，F(xiàn)PGA波特率發(fā)生控制模塊，F(xiàn)PGA總體接口模塊以及單片機(jī)數(shù)據(jù)接收模塊。本文著重對FPGA數(shù)據(jù)發(fā)送模塊實現(xiàn)進(jìn)行說明。
　　
　　2、FPGA數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的設(shè)計
　　
　　根據(jù)RS232異步串行通信來的幀格式，在FPGA發(fā)送模塊中采用的每一幀格式為：1位開始位+8位數(shù)據(jù)位+1位奇校驗位+1位停止位，波特率為2400。本系統(tǒng)設(shè)計的是將一個16位的數(shù)據(jù)封裝成高位幀和低位幀兩個幀進(jìn)行發(fā)送，先發(fā)送低位幀，再發(fā)送高位幀，在傳輸數(shù)據(jù)時，加上文件頭和數(shù)據(jù)長度，文件頭用555555來表示，只有單片機(jī)收到555555時，才將下面?zhèn)鬏數(shù)臄?shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)位進(jìn)行接收，并進(jìn)行奇校驗位的檢驗，正確就對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲處理功能，數(shù)據(jù)長度可以根據(jù)需要任意改變。由設(shè)置的波特率可以算出分頻系數(shù)，具體算法為分頻系數(shù)X=CLK/（BOUND*2）。可由此式算出所需的任意波特率。下面是實現(xiàn)上述功能的VHDL源程序。
　　
　　Libraryieee;
　　
　　useieee.std_logic_1164.all;
　　
　　useieee.std_logic_arith.all;
　　
　　useieee.std_logic_unsigned.all;
　　
　　entitya2_binis
　　
　　port（txclk:instd_logic;--2400Hz的波特率時鐘
　　
　　reset:instd_logic;--復(fù)位信號
　　
　　din:instd_logic_vector（15downto0）;--發(fā)送的數(shù)據(jù)
　　
　　start:instd_logic;--允許傳輸信號
　　
　　sout:outstd_logic--串行輸出端口
　　
　　）;
　　
　　enda2_bin;
　　
　　architecturebehavofa2_binis
　　
　　signalthr,len:std_logic_vector（15downto0）;
　　
　　signaltxcnt_r:std_logic_vector（2downto0）;
　　
　　signalsout1:std_logic;
　　
　　signalcou:integer:=0;
　　
　　signaloddb:std_logic;
　　
　　typesis（start1,start2,shift1,shift2,odd1,odd2,s*,stop2）;
　　
　　signalstate:s:=start1;
　　
　　begin
　　
　　process（txclk）
　　
　　begin
　　
　　ifrising_edge（txclk）then
　　
　　ifcou<3thenthr<="0000000001010101";--發(fā)送的文件頭
　　
　　elsifcou=3then
　　
　　thr<="0000000000000010";--發(fā)送的文件長度
　　
　　elsif（cou>3andstate=stop2）thenthr<=din;--發(fā)送的數(shù)據(jù)
　　
　　endif;
　　
　　endif;
　　
　　endprocess;
　　
　　process（reset,txclk）
　　
　　variabletsr,tsr1,oddb1,oddb2:std_logic_vector（7downto0）;
　　
　　begin
　　
　　ifreset='1'then
　　
　　txcnt_r<=（others=>'0'）;
　　
　　sout1<='1';
　　
　　state<=start1;
　　
　　cou<=0;
　　
　　elsiftxclk'eventandtxclk='1'then
　　
　　casestateis
　　
　　whenstart1=>
　　
　　ifstart='1'then
　　
　　ifcou=3then
　　
　　len<=thr;
　　
　　endif;
　　
　　tsr:=thr（7downto0）;
　　
　　oddb1:=thr（7downto0）;
　　
　　sout1<='0';--起始位
　　
　　txcnt_r<=（others=>'0'）;
　　
　　state<=shift1;
　　
　　else
　　
　　state<=start1;
　　
　　endif;
　　
　　whenshift1=>
　　
　　oddb<=oddb1（7）xoroddb1（6）xoroddb1（5）xoroddb1（4）xoroddb1（3）xoroddb1（2）xoroddb1（1）xoroddb1（0）;
　　
　　sout1<=tsr（0）;--數(shù)據(jù)位
　　
　　tsr（6downto0）:=tsr（7downto1）;
　　
　　tsr（7）:='0';
　　
　　txcnt_r<=txcnt_r+1;
　　
　　if（txcnt_r=7）then
　　
　　state<=odd1;cou<=cou+1;
　　
　　endif;
　　
　　whenodd1=>--奇校驗位
　　
　　ifoddb='1'then
　　
　　sout1<='0';state<=s*;
　　
　　else
　　
　　sout1<='1';state<=s*;
　　
　　endif;
　　
　　whens*=>
　　
　　sout1<='1';--停止位
　　
　　ifcou<4then
　　
　　state<=start1;
　　
　　else
　　
　　state<=start2;
　　
　　endif;
　　
　　whenstart2=>
　　
　　tsr1:=thr（15downto8）;
　　
　　oddb2:=thr（15downto8）;
　　
　　sout1<='0';--起始位
　　
　　txcnt_r<=（others=>'0'）;
　　
　　state<=shift2;
　　
　　whenshift2=>
　　
　　oddb<=oddb2（7）xoroddb2（6）xoroddb2（5）xoroddb2（4）xoroddb2（3）xoroddb2（2）xoroddb2（1）xoroddb2（0）;
　　
　　sout1<=tsr1（0）;--數(shù)據(jù)位
　　
　　tsr1（6downto0）:=tsr1（7downto1）;
　　
　　tsr1（7）:='0';
　　
　　txcnt_r<=txcnt_r+1;
　　
　　if（txcnt_r=7）then
　　
　　state<=odd2;
　　
　　endif;
　　
　　whenodd2=>--奇校驗位
　　
　　ifoddb='1'then
　　
　　sout1<='0';state<=stop2;
　　
　　else
　　
　　sout1<='1';state<=stop2;
　　
　　endif;
　　
　　whenstop2=>
　　
　　sout1<='1';--停止位
　　
　　iflen="0000000000000000"then
　　
　　state<=stop2;
　　
　　else
　　
　　state<=start1;
　　
　　len<=len-1;
　　
　　endif;
　　
　　endcase;
　　
　　endif;
　　
　　endprocess;
　　
　　sout<=sout1;
　　
　　endbehav;
　　
　　其中各信號的說明已在程序中標(biāo)明了。波形仿真圖如圖1所示。　　　　
　　圖中Din寫入值為3355H，波特率為2400Hz，Start信號始終置邏輯1，即隨時都能發(fā)送數(shù)據(jù)。Reset信號邏輯1時復(fù)位，邏輯0時電路開始工作。THR是數(shù)據(jù)寄存器，文件頭、數(shù)據(jù)長度以及數(shù)據(jù)位都先寄存到THR中，Len是數(shù)據(jù)長度，TSR是低8位數(shù)據(jù)幀寄存器，TSR1是高8位數(shù)據(jù)幀寄存器。數(shù)據(jù)長度Len定為02H，發(fā)送時先發(fā)送低8位55H，后發(fā)送高8位33H，一共發(fā)送兩遍。發(fā)送的數(shù)據(jù)格式說明：當(dāng)發(fā)送55H時，其二進(jìn)制為01010101，則發(fā)送的數(shù)據(jù)的二進(jìn)制數(shù)為00101010111（1位開始位+8位數(shù)據(jù)位+1位奇校驗位+1位停止位）。
　　
　　單片機(jī)部分先對FPGA發(fā)送過來的文件頭進(jìn)行確認(rèn)，正確就接收文件，否則放棄接收的數(shù)據(jù)。根據(jù)FPGA發(fā)送模塊的協(xié)議，對串口控制寄存器SCON和波特率控制寄存器PCON的設(shè)置即可實現(xiàn)。
　　
　　3、總結(jié)
　　
　　目前電子產(chǎn)品的開發(fā)中經(jīng)常要綜合運用EDA技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)，那么電路各部分經(jīng)常需要數(shù)據(jù)交換。本文也是基于此給出這方面應(yīng)用的實例，供交流。