UART收发器设计实例

11.5U A R T收发器设计实例U A R T（U n i v e r s a l A s y n c h r o n o u s R e c e i v e r T r a n s m i t t e r，通用异步收发器）是广泛使用的异步串行数据通信协议。

下面首先介绍U A R T硬件接口及电平转换电路，分析U A R T的传输时序并利用V e r i l o g H D L语言进行建模与仿真，最后通过开发板与P C相连进行R S-232通信来测试U A R T收发器的正确性。

1.5.111.5.1U A R T界面介绍本节所介绍的U A R T即美国电子工业协会定义的R S-232C，简称R S-232。

R S-232的接口一般有9针的D B9和25针的D B25，这里以9针为例，它的各个引脚的定义如表11-8所示。

表11-8D B9的引脚定义引脚功能缩写1资料载波检测D C D2接收数据R X D3发送数据T X D4数据终端准备就绪D T R5信号地G N D6数据准备就绪D S R7发送请求R T S8清除发送C T S9振铃提示R I由于R S-232的电气特性与F P G A引脚不相同，因此它们之间不能直接相连，对于R S-232的数据线，当为逻辑“1”时，对应电平是-15V~-3V；当为逻辑“0”时，对应电平是15V~3V。

因此，与F P G A相连之前必须进行电平转换，转换原理图如图11-39所示。

图11-39R S-232电平转换原理图1.5.211.5.2U A R T传输时序U A R T传输时序如图11-40所示。

图11-40U A R T传输时序发送数据过程：空闲状态，线路处于高电位；当收到发送数据指令后，拉低线路一个数据位的时间T，接着数据按低位到高位依次发送，数据发送完毕后，接着发送奇偶校验位和停止位（停止位为高电位），一帧资料发送结束。

接收数据过程：空闲状态，线路处于高电位；当检测到线路的下降沿（线路电位由高电位变为低电位）时说明线路有数据传输，按照约定的波特率从低位到高位接收数据，数据接收完毕后，接着接收并比较奇偶校验位是否正确，如果正确则通知后续设备准备接收数据或存入缓存。

由于U A R T是异步传输，没有传输同步时钟。

为了能保证数据传输的正确性，U A R T采用16倍数据波特率的时钟进行采样。

每个数据有16个时钟采样，取中间的采样值，以保证采样不会滑码或误码。

一般U A R T一帧的数据位数为8，这样即使每个数据有一个时钟的误差，接收端也能正确地采样到数据。

U A R T的接收数据时序为：当检测到数据的下降沿时，表明线路上有数据进行传输，这时计数器C N T开始计数，当计数器为24=16+8时，采样的值为第0位数据；当计数器的值为40=24+16时，采样的值为第1位数据，依此类推，进行后面6个数据的采样。

如果需要进行奇偶校验，则当计数器的值为152时，采样的值即为奇偶位；当计数器的值为168时，采样的值为“1”表示停止位，一帧数据接收完成。

本节章将按上面的算法进行V e r i l o g H D L语言建模与仿真。

1.5.311.5.3U A R T分频器假设数据的波特率为p，则所需时钟的频率为16*p。

以波特率p为115200为例，系统时钟为50M H z，则分频系数为50000000/(16*115200)=27.127，取整为27。

分频器V e r i l o g H D L语言代码如下：m o d u l e c l k d i v(c l k,c l k o u t);i n p u t c l k;//系统时钟o u t p u t c l k o u t;//采样时钟输出r e g c l k o u t;r e g[15:0]c n t;a l w a y s@(p o s e d g e c l k)//分频进程b e g i ni f(c n t==16'd12)b e g i nc l k o u t<=1'b1;c n t<=c n t+16'd1;e n de l s e i f(c n t==16'd26)b e g i nc l k o u t<=1'b0;c n t<=16'd0;e n de l s eb e g i nc n t<=c n t+16'd1;e n de n de n d m o d u l e保存文件为c l k d i v.v，单击F i l e s→ C r e a t e/U p d a t e→ C r e a t e S y m b o l F i l e s f o r C u r r e n t F i l e命令，为c l k d i v.v生成原理图模块。

新建一个原理图文件，在原理图空白处双击，在弹出的S y m b o l对话框中选择P r o j e c t→ c l k i d v模块，单击O K按钮退出S y m b o l对话框。

在原理图的适当位置放置c l k d i v模块，并添加输入输出模块。

保存原理图为u a r t r x t x.b d f。

编译工程文件，编译无误后单击P r o c e s s i n g→ G e n e r a t e F u n c t i o n a l S i m u l a t i o n N e t l i s t，产生功能仿真网表。

新建波形仿真文件，加入输入输出信号，设置系统时钟信号c l k 的周期为20n s，保存波形文件为 u a r t r x t x.v w f，单击按钮进行分频器的波形仿真，波形仿真报告如图11-41所示。

图11-41分频器的波形仿真报告波形仿真报告说明：分频时钟输出实现了所需的27分频，分频模块得到正确验证。

1.5.411.5.4U A R T发送模块U A R T发送模块的功能：接收到发送指令后，把数据按U A R T协议输出，先输出一个低电平的起始位，然后从低到高输出8个数据位，接着是可选的奇偶校验位，最后是高电平的停止位。

V e r i l o g H D L语言代码如下：m o d u l e u a r t t x(c l k,d a t a i n,w r s i g,i d l e,t x);i n p u t c l k;//U A R T时钟i n p u t[7:0]d a t a i n;//需要发送的数据i n p u t w r s i g;//发送命令，上升沿有效o u t p u t i d l e;//线路状态指示，高为线路忙，低为线路空闲o u t p u t t x;//发送数据信号r e g i d l e,t x;r e g s e n d;r e g w r s i g b u f,w r s i g r i s e;r e g p r e s u l t;r e g[7:0]c n t;//计数器p a r a m e t e r p a r i t y m o d e=1'b0;//检测发送命令是否有效a l w a y s@(p o s e d g e c l k)b e g i nw r s i g b u f<=w r s i g;w r s i g r i s e<=(~w r s i g b u f)&w r s i g;e n da l w a y s@(p o s e d g e c l k)b e g i ni f(w r s i g r i s e&&(~i d l e))//当发送命令有效且线路为空闲时，启动新的数据发送进程 b e g i ns e n d<=1'b1;e n de l s e i f(c n t==8'd176)//一帧资料发送结束b e g i ns e n d<=1'b0;e n de n da l w a y s@(p o s e d g e c l k)b e g i ni f(s e n d==1'b1)b e g i nc a s e(c n t)//产生起始位8'd0:b e g i nt x<=1'b0;i d l e<=1'b1;c n t<=c n t+8'd1;e n d8'd16:b e g i nt x<=d a t a i n[0];//发送数据0位 p r e s u l t<=d a t a i n[0]^p a r i t y m o d e;i d l e<=1'b1;c n t<=c n t+8'd1;e n d8'd32:b e g i nt x<=d a t a i n[1];//发送数据1位 p r e s u l t<=d a t a i n[1]^p r e s u l t;i d l e<=1'b1;c n t<=c n t+8'd1;e n d8'd48:b e g i nt x<=d a t a i n[2];//发送数据2位 p r e s u l t<=d a t a i n[2]^p r e s u l t;i d l e<=1'b1;c n t<=c n t+8'd1;e n d8'd64:b e g i nt x<=d a t a i n[3];//发送数据3位 p r e s u l t<=d a t a i n[3]^p r e s u l t;i d l e<=1'b1;c n t<=c n t+8'd1;e n d8'd80:b e g i nt x<=d a t a i n[4];//发送数据4位 p r e s u l t<=d a t a i n[4]^p r e s u l t;i d l e<=1'b1;c n t<=c n t+8'd1;e n d8'd96:b e g i nt x<=d a t a i n[5];//发送数据5位 p r e s u l t<=d a t a i n[5]^p r e s u l t;i d l e<=1'b1;c n t<=c n t+8'd1;e n d8'd112:b e g i nt x<=d a t a i n[6];//发送数据6位 p r e s u l t<=d a t a i n[6]^p r e s u l t;i d l e<=1'b1;c n t<=c n t+8'd1;e n d8'd128:b e g i nt x<=d a t a i n[7];//发送数据7位 p r e s u l t<=d a t a i n[7]^p r e s u l t;i d l e<=1'b1;c n t<=c n t+8'd1;e n d8'd144:b e g i nt x<=p r e s u l t;//发送奇偶校验位 p r e s u l t<=d a t a i n[0]^p a r i t y m o d e;i d l e<=1'b1;c n t<=c n t+8'd1;e n d8'd160:b e g i nt x<=1'b1;//发送停止位i d l e<=1'b1;c n t<=c n t+8'd1;e n d8'd176:b e g i nt x<=1'b1;i d l e<=1'b0;//一帧资料发送结束 c n t<=c n t+8'd1;e n dd e f a u l t:b e g i nc n t<=c n t+8'd1;e n de n d c a s ee n de l s eb e g i nt x<=1'b1;c n t<=8'd0;i d l e<=1'b0;e n de n de n d m o d u l e保存文件为u a r t t x.v，单击F i l e s→ C r e a t e/U p d a t e→ C r e a t e S y m b o l F i l e s f o r C u r r e n t F i l e命令，为u a r t t x.v生成原理图模块。