基于FPGA的PCI總線串口卡設計

隨著計算機測試技術的飛速發(fā)展，越來越多的外部設備通過串口與計算機進行通信，實現(xiàn)信息共享以及設備的集中控制和管理。利用串口進行通信具有結構簡單、傳輸距離遠、成本低廉等優(yōu)點，被廣泛應用于各個領域[1]。同時，PCI(Peripheral Component Interconnect)總線是一種高性能32/64位局部總線，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為132 Mb/s，可同時支持多組外設，數(shù)據(jù)吞吐量大，是目前應用最廣泛、最流行的一種高速同步總線[2]。因此，利用PCI總線實現(xiàn)上位機與外部設備的串口通信，可以提高通信能力。
　由于大部分I/O 設備沒有PCI總線功能，要實現(xiàn)設備與PCI總線的連接，需要PCI接口芯片、通用異步收發(fā)器UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)等。而目前開發(fā)PCI總線與外部設備的串口通信大體上有兩種方式：(1)使用專用的芯片，如：PCI專用接口芯片S5920、S5933等；UART專用芯片8250、8251、16450、16550等。使用廠家提供的專用接口芯片，用戶可能只使用到它的部分功能，會造成一定的資源浪費，而且專用芯片價格高。(2)使用可編程器件FPGA。使用FPGA較使用專用芯片具有以下優(yōu)點：一方面用戶可以根據(jù)需要進行設計，不會浪費資源；另一方面可以將PCI接口、UART都做在一片FPGA內，這樣就不需要外接專門的芯片，簡化了電路、縮小了體積、提高了系統(tǒng)的可靠性。
1系統(tǒng)硬件設計
　本設計中選用Altera公司的FPGA芯片EP1C6SQ240作為核心器件，完成PCI接口以及UART的設計，實現(xiàn)PCI總線與串口的連接。選用美信公司的MAX490芯片作為電平轉換電路。系統(tǒng)的硬件連接框圖如圖1所示。

　數(shù)據(jù)傳輸過程：上位機通過PCI總線發(fā)送并行數(shù)據(jù)到UART的數(shù)據(jù)緩存器中，然后數(shù)據(jù)經(jīng)UART的數(shù)據(jù)緩存器進入UART的移位寄存器進行并串轉換后，通過串口傳到下位機。反之，下位機通過串口將數(shù)據(jù)傳送到UART的移位寄存器中，進行串并轉換，然后進入UART的數(shù)據(jù)緩存器中，最后傳到上位機。
　設計中采用，傳輸距離長、抗干擾能力強的RS422串口。但是規(guī)定RS422:邏輯1的電平為-6 V～-2 V；邏輯0的電平為+2 V～+6 V。而FPGA的I/O電平一般為0～3.3 V，二者之間的電平不兼容。為了使二者之間的供電電壓保持一致，必須加入電平轉換電路。為此選用美信公司的MAX490芯片來實現(xiàn)二者之間的電平轉換，其電路原理圖如圖2所示。

1.1 PCI總線接口
　PCI總線接口的功能是將一個不支持 PCI 協(xié)議的后端設備接口到PCI 總線上。為了實現(xiàn)PCI總線接口的基本功能，必須完成如下模塊的設計：PCI空間配置模塊、偶校驗模塊、地址譯碼和命令譯碼模塊、設備狀態(tài)機模塊等。PCI總線接口原理框圖如圖3所示。