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。

作者：粟慧龍 肖遼亮 湖南鐵道職業技術學院   來源：電子設計工程