隨著電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場可編程門陣列 FPGA和復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD的出現(xiàn)，使得電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者利用與器件相應(yīng)的電子CAD軟件，在實(shí)驗(yàn)室里就可以設(shè)計(jì)自己的專用集成電路ASIC器件。這種可編程ASIC不僅使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品達(dá)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(shè)計(jì)周期，減少了設(shè)計(jì)費(fèi)用，降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。目前數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以直接面向用戶需求，根據(jù)系統(tǒng)的行為和功能要求，自上至下地逐層完成相應(yīng)的描述﹑綜合﹑優(yōu)化﹑仿真與驗(yàn)證，直到生成器件，實(shí)現(xiàn)電子設(shè)計(jì)自動化。其中電子設(shè)計(jì)自動化（EDA）的關(guān)鍵技術(shù)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)語言，它是由美國國防部在80年代開發(fā)的HDL,現(xiàn)在已成為IEEE承認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言。VHDL支持硬件的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、綜合和測試，以及硬件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的交換、維護(hù)、修改和硬件的實(shí)現(xiàn)，具有描述能力強(qiáng)、生命周期長、支持大規(guī)模設(shè)計(jì)的分解和已有設(shè)計(jì)的再利用等優(yōu)點(diǎn)。利用VHDL這些優(yōu)點(diǎn)和先進(jìn)的EDA工具，根據(jù)具體的實(shí)際要求，我們可以自己來設(shè)計(jì)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(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(gè)比特位(bit)的校驗(yàn)位。其幀格式如圖1所示。
起始位是一個(gè)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(kuò)展字符設(shè)置的文本或者二進(jìn)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(shí)從一個(gè)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(jìn)制67，二進(jìn)制的01000011，那么傳輸?shù)膶⑹?1000010。校驗(yàn)位是為了驗(yàn)證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否被正確接收，常見的校驗(yàn)方法是奇、偶校驗(yàn)。另外校驗(yàn)位也可以為0校驗(yàn)或者1校驗(yàn)，即不管數(shù)據(jù)位中1的個(gè)數(shù)是多少，校驗(yàn)位始終為0或者1，如果在傳輸?shù)倪^程中校驗(yàn)位發(fā)生了變化，這就提示出現(xiàn)了某類錯(cuò)誤。不過，在傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候，也可以不用校驗(yàn)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(gè)即將發(fā)送來的字符之前接收設(shè)備要求附加時(shí)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(shí)間為t，則波特率為1/ t,相應(yīng)的發(fā)送或接收時(shí)鐘為1/t Hz。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(yàn)錯(cuò)或者幀錯(cuò)。
3 串行發(fā)送電路的設(shè)計(jì)
為簡化電路設(shè)計(jì)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(yàn)位，波特率為9600。
3.1 波特率發(fā)生器的設(shè)計(jì)
要產(chǎn)生9600波特率，要有一個(gè)不低于9600 Hz的時(shí)鐘才可以。為產(chǎn)生高精度的時(shí)鐘，我選了6MHz（6M能整除9600）的晶振來提供外部時(shí)鐘。當(dāng)然，你也可以選其它頻率的時(shí)鐘來產(chǎn)生9600 Hz的時(shí)鐘。對于6MHz時(shí)鐘，需要設(shè)計(jì)一個(gè)625進(jìn)制的分頻器來產(chǎn)生9600波特率的時(shí)鐘信號。用VHDL設(shè)計(jì)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(jì)
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(shí)現(xiàn)上述功能的VHDL源程序：
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
entity Com is
port(clk,en:in std_logic;
Send_data:in std_logic_vector(9 downto 0);
serial:out std_logic);
end com;
architecture com_arc of com is
begin
process(clk)
variable count:integer range 0 to 9 :=0;
begin
if en=‘0‘ then
count:=0;
serial<=‘1‘;
elsif rising_edge(clk) then
if count=9 then
serial<=Send_data(9);
else
serial<=Send_data(count);
count:=count+1;
end if;
end if;
end process;
end com_arc;
其中，Send_data(0 to 9)表示需要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，發(fā)送時(shí)，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(cuò)誤。在發(fā)送每一幀之前，首先給輸入端en一個(gè)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(jìn)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(shí)序仿真
選EDA工具，對VHDL源程序編譯。用的是 Altera公司的MAX+plus II 9.3 Baseline，這個(gè)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(shí)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(jì)
接收電路比發(fā)送電路要復(fù)雜，接收電路要時(shí)實(shí)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(jìn)行采樣（如圖3所示），然后對3次采樣結(jié)果進(jìn)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(shí)鐘的設(shè)計(jì)
為完成3次采樣，除了頻率為9600Hz的接收時(shí)鐘外，還要有一個(gè)3倍頻的采樣時(shí)鐘。下面是實(shí)現(xiàn)上述功能的VHDL源程序：
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
entity count625 is
port(clk,en:in std_logic; Clock1,Clock3:out std_logic);
end count625;
architecture count625_arc of count625 is
begin
process(clk,en)
variable count:integer range 0 to 625 :=0;
begin
if en=‘0‘ then
NUll;
elsif (rising_edge(clk)) then
count:=count+1;
if count=625 then
Clock1<=‘1‘; count:=0;
else
Clock1<=‘0‘;
end if;
if (count=100 or count=300 or count=500 ) then
Clock3<=‘1‘;
else
Clock3<=‘0‘;
end if;
end if;
end process;
end count625_arc;
其中clk為6MHz的時(shí)鐘；en控制波形的產(chǎn)生； Clock1為9600Hz的接收時(shí)鐘； Clock3為3倍頻的采樣時(shí)鐘。
4.2 接收電路的設(shè)計(jì)
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(jìn)行3次采樣，最后判決輸出。為簡化設(shè)計(jì)，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(jì)的接收電路VHDL程序：
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
entity com_receive10 is
port(com,clr,clk1,clk3:in std_logic;Q:out std_logic_vector(0 to 9);Valid:out std_logic);
end com_receive10;
architecture com_receive10_arc of com_receive10 is
Signal Enable:std_logic :=‘1‘;
Signal Hold:std_logic :=‘0‘;
Signal N:std_logic_vector(0 to 2) :="000";
begin
Valid<=Enable and Hold;
process(clk1,clr)
variable Num:integer range 0 to 9 :=0;
begin
if clr=‘0‘ then
Enable<=‘1‘ Num:=0; Q<="0000000000";
elsif (rising_edge(clk1)) then
Q(Num)<=(N(0) and N(1)) or (N(1) and N(2)) or (N(0) and N(2));
if Num=9 then
Enable<=‘0‘; Num:=0;
else
Num:=Num+1;
end if;
end if;
end process;
process(clk3,clr)
variable m:integer range 0 to 2 :=0;
begin
if clr=‘0‘ then
m:=0;
elsif(rising_edge(clk3)) then
N(m)<=com;
if m=2 then
m:=0;
else
m:=m+1;
end if;
end if;
end process;
process(clr,com)
begin
if clr=‘0‘ then
Hold<=‘0‘;
elsif falling_edge(com) then
Hold<=‘1‘;
end if;
end process;
end com_receive10_arc;
其中，N(m)<=com 用來對波形采樣；Q(Num)<=(N(0) and N(1)) or (N(1) and N(2)) or (N(0) and N(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(shí)實(shí)檢測每一幀的起始位（即下降沿）的到來；Valid<=Enable and Hold用來輸出到波特率發(fā)生器電路單元控制時(shí)鐘的產(chǎn)生，最后將一幀的10位數(shù)據(jù)輸出。
用MAX+plus II 9.3 Baseline將上面兩個(gè)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(shí)序仿真
時(shí)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(jì)的出現(xiàn)從根本上改變了以往數(shù)字電路的設(shè)計(jì)模式,使電路設(shè)計(jì)由硬件設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖O(shè)計(jì),這樣提高了設(shè)計(jì)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(jì)的靈活性，根據(jù)串行通信協(xié)議的要求，可以在實(shí)驗(yàn)室利用先進(jìn)的EDA工具，用VHDL設(shè)計(jì)出符合自己實(shí)際需求的異步串行通信電路。
本文設(shè)計(jì)出的基于VHDL異步串行通信電路，在實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)與計(jì)算機(jī)串口RS-232進(jìn)行了通信實(shí)驗(yàn)(注意：TTL和RS-232邏輯電平的轉(zhuǎn)換)。實(shí)驗(yàn)證明，0至255的所有數(shù)據(jù)都能被正確收、發(fā)。
參考文獻(xiàn)：
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