摘要：在工業控制中如何提高一對多的串口通訊可靠性和系統的集成性成為研究熱點。本文利用嵌入式技術，提出基于CPLD／FPGA的多串口擴展設計方案。實現并行口到多個全雙工異步通訊口之間的轉換，并根據嵌入式系統實時性的需要，在每個UART接收器中開辟了8個接收緩沖單元，實現高速嵌入式CPU與RS232通訊設備之間的速度匹配，同時，串行口波特率等參數可根據需要進行設置。通過實踐證明，本文設計的基于CPLD／FPGA的多串口完全符合工業控制中一對多串口通訊的要求。
關鍵詞：CPLD／FPGA；多串口擴展；全雙工；異步通信；嵌入式系統

    在工業控制中，設備的通訊與控制主要采用簡潔高效的串口方式進行。工控機通過PCI擴展卡方式進行串口的擴展，或采用電路復雜的擴展芯片實現串口擴展。隨著嵌入式技術發展，嵌入式系統的應用逐步代替了成本高昂的工業控制計算機。為了簡化硬件電路的設計，降低系統成本，本文提出了一種基于CPLD／FPGA多串口擴展的方案，實現多個外設串口的擴展和管理，同時解決一對多的串口通訊可靠性問題，滿足嵌入式系統串口擴展的需求。

1 系統結構
    本設計以CPLD／FPGA芯片為核心，在芯片內部通過設計、編程實現并行總線接口到多個串行口的擴展。設計的多串口擴展包括并行總線接口、4路接收緩沖器、4路發送器、波特率發生器和UART接口。為實現高速嵌入式CPU與RS232通訊設備之間的速度匹配，充分利用嵌入式系統的實時性，在每個接收緩沖器中開辟了8個接收緩沖單元。在實際應用中，可根據嵌入式系統擴展的需要，靈活增減串口數量以及接收緩沖單元個數。在通訊過程，波特率發生器的時鐘信號由外部有源晶振提供，選擇合適的晶振頻率即可獲得高性能的數據傳輸。系統結構如圖1所示。

2 功能模塊設計
2．1 接收緩沖模塊
2．1．1 接收緩沖模塊構架
    在設計過程中，為便于串口擴展功能的實現，將功能相似的部件進行了集成。本設計以4路UART接口擴展為例，接收緩沖部分包含了4個獨立的接收緩沖器，其結構如圖2所示。接收緩沖器共用clk時鐘信號，并將其作為串行數據接收的波特率；每個接收緩沖器均有單獨的rxd、bf、cs引腳，其功能分別為：串行數據輸入、接收緩沖器儲存狀態、接收緩沖器片選。各接收緩沖器的片選端分別與2-4譯碼器的輸出腳相連。譯碼器的輸入端構成了4路接收緩沖器選擇的地址線，分別對應a3、a4腳；結構圖中數據總線d0～d7、讀緩沖端rd、緩沖儲存狀態清‘0’端clr和緩沖單元地址線a0～a2為共用信號端口，分別與4個接收緩沖器相連。

2．1．2 接收緩沖器內部結構
    接收緩沖器內部由RXD接收器、地址及寫控制器和雙端口RAM構成，如圖3所示。

    1)RXD接收器
    RXD接收器的作用是接收串行設備發送的數據。clk腳引入波特率時鐘后，程序首先檢測串行數據輸入腳rxd的電平，當檢測到rxd腳電平為‘0’即串行數據的開始信號后，接收器開始接收數據。連續接收8位數據后，接收到的數據將被送至d0～d7端，同時reg_flag端產生一個負脈沖信號，觸發寫控制器的ad_cnt端，寫控制器的地址線加‘1’并同時產生雙端口RAM的寫操作信號，完成接收數據的存儲。
    接收時，clk時鐘為波特率的16倍，clk信號8分頻后即串行數據位的周期的中間位置檢測rxd腳電平狀態，以保證串行數據準確地接收，累計計數至16分頻時完成一位數據的接收。連續接收8位數據后，并判斷第9位狀態為‘1’時(停止位)，完成一個字節的接收。RXD接收器的程序如下：


    2)寫控制器
    寫控制器的ad_cnt端接收到RXD接收器的reg_flag負脈沖信號后，對地址寄存器進行加‘1’操作，并將新的地址狀態送至雙端口RAM的地址總線a0～a2。同時，reg_flag負脈沖觸發寫控制器對clk時鐘計數，向雙端口RAM產生cs片選信號和wr寫控制信號，將RXD接收器d0～d7的數據寫入雙端口RAM地址線所對應的存儲單元中。
    3)雙端口RAM
    通過一系列時序信號的組合，RXD接收器接收的數據將暫存到雙端口RAM中。本設計中，雙端口RAM直接調用的Quartus8．0存儲器子庫中的LPM_RAM_DP元件。
2．2 發送模塊
    發送部分由4路并行的TXD發送器、2-4譯碼器和4輸入或門組成，如圖4所示。4路TXD發送器共用時鐘信號clk、數據端d0～d7、發送啟動端load；每個發送器均有單獨sf、cs、txd引腳，其功能分別為：發送狀態標志、TXD發送器選擇、串行數據輸出。TXD發送器的cs端分別與2-4譯碼器的輸出腳相連，譯碼器的輸入端a0～a1即構成發送部分的地址線；發送器的sf端經過4輸入或門輸出，構成發送部分的發送狀態標志。

    在通訊過程中，load腳接收到CPU的控制信號后，根據地址線a0～a1的組合選擇相應的TXD發送器，將數據總線d0～d7上的數據通過txd腳逐位輸出，通過串行總線發送至接收設備。一個字節發送完成后，發送狀態端sf置‘0’，CPU可檢測sf端的電平狀態，以判斷數據是否發送完成，也可以利用sf引腳的狀態觸發CPU中斷，完成多個數據的連續發送。發送器的程序與接收器相匹配，在此不再闡述。
2．3 波特率發生器
    UART的接收和發送按照相同的波特率進行數據傳送。波特率發生器分別給接收部分和發送部分提供時鐘信號，并且接收的波特率時鐘是發送的16倍，利用16倍波特率時鐘對串行數據進行高速采樣，以確保接收數據的準確性。為實現與不同傳輸速率的串行設備通信，波特率發生器對系統時鐘進行不同系數的分頻，根據CPU控制線的組合可分別產生4800bit／s、9600bit／s、19200bit／s、38400bit／s等多種波特率。

3 仿真與實現
    本串口擴展器通過VHDL編程，在Ouartus8．0下進行了仿真。由于仿真信號較多，僅對關鍵部件的信號進行分析。圖5給出了RXD接收器仿真波形。在測試過程中，首先確定通信的波特率為19 200 bit／s，即RXD接收器CLK時鐘為波特率的16倍，發送設備通過串行總線向RXD接收器發送F1H，當RXD接收器完成數據的接收后，立即將數據送至數據總線d0～d7，仿真結果如圖5所示。

    給寫控制器的ad_cnt端輸入地址計數脈沖，地址線a0～a2進行加‘1’操作，片選線cs和寫操作端wr根據CLK時鐘信號相應輸出低電平，完成接收數據的寫存儲。連續存儲8個字節后，緩沖器狀態標志bf置‘1’。將clr端輸入低電平，bf標志清‘0’，同時地址線a0～a2回到“000”狀態。寫控制器的仿真結果如圖6所示。

    給TXD發送器的數據總線d0～d7輸入AAH，通過串行總線發送至接收設備。load端置‘0’，啟動發送。發送完成后，sf標志清‘0’。檢查接收設備的接收值，與發送數據完全匹配。TXD發送器的波形仿真結果如圖7所示。

4 結束語
    本文詳細介紹了CPLD／FPGA多串口設計的內部構成，對各個模塊的工作原理和關鍵信號進行了分析，給出了EDA軟件仿真形波和測試結果。通過對FPGA／CPLD多串口的設計與實現，為嵌入式系統中串口的擴展提供了一定的幫助。