異步通信起始位正確檢測的VHDL實(shí)現(xiàn)

　　摘要： 基于FPGA/CPLD的UART設(shè)計(jì)眾多，本文分析了3倍頻采樣方法存在的不足，同時(shí)分析了16倍頻采樣對起始位檢測的可靠性，并給出相關(guān)的VHDL硬件描述語言程序代碼。

　　關(guān)健詞： 異步數(shù)據(jù);UART;FPGA/CPLD;VHDL

　　概述

　　隨著電子設(shè)計(jì)自動化(EDA)技術(shù)的發(fā)展，可編程邏輯器件FPGA/CPLD已經(jīng)在許多方面得到了廣泛應(yīng)用，而UART(通用異步收發(fā)器) 是在數(shù)字通信和控制系統(tǒng)中廣泛使用的串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。因此越來越多用戶根據(jù)自己的需要，以EDA技術(shù)作為開發(fā)手段，用一塊FPGA/CPLD設(shè)計(jì)出符合自己需要的UART芯片?；贔PGA/ CPLD的UART設(shè)計(jì)在諸多文獻(xiàn)中都有論述，在此不再對UART整個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)做太多的論述。本文著重分析UART接收器起始位的檢測。

　　3倍頻采樣的缺陷

　　首先，串行異步通信規(guī)定了字符數(shù)據(jù)的傳送格式。每一幀數(shù)據(jù)由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位、停止位和線路空閑狀態(tài)組成，格式如圖1所示。一般情況起始位為1位，數(shù)據(jù)位為5、6、7或8位、奇偶校驗(yàn)位為1位，停止位為1、1.5或2位。其中的起始位和停止位就是用來實(shí)現(xiàn)字符的同步。在空閑狀態(tài),傳送線為邏輯“1”狀態(tài)。數(shù)據(jù)的傳送總是以一個(gè)“起始位”開始的,接著是要傳送的若干數(shù)據(jù)位,低位先行,最后是一個(gè)“1”狀態(tài)的“停止位”;那么，當(dāng)接收器檢測到一個(gè)“1”向“0”的跳變時(shí)，便視為可能的起始位。起始位被確認(rèn)后,就知道發(fā)送器已開始發(fā)送，當(dāng)接收了已協(xié)議好的位數(shù)后并接收到字符幀中停止位就是一幀字符數(shù)據(jù)已發(fā)送完畢。這樣，接收器就知道發(fā)送器何時(shí)開始發(fā)送數(shù)據(jù)和何時(shí)結(jié)束發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖1　異步通信字符幀格式

　　要提高接收器的接收準(zhǔn)確性，減少誤碼率，必須要用比數(shù)據(jù)波特率高n 倍(n≥1)的速率對數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。文獻(xiàn)2中采用了非常規(guī)的3倍頻采樣方法：用3倍頻的波特率對每一位數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣(如圖2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，否則，為低電平。

圖2　3倍頻采樣時(shí)序圖

　　此方法剛開始給人感覺比常規(guī)的16倍頻采樣準(zhǔn)確性高，因?yàn)槊恳晃粩?shù)據(jù)都進(jìn)行3取2的判決，而16倍頻采樣對每位數(shù)據(jù)只進(jìn)行一次中間采樣。然而筆者在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)了其存在抗干擾性差，移植性差等不足。筆者在應(yīng)用中自定義的異步數(shù)據(jù)幀長達(dá)21位，應(yīng)用環(huán)境是渦輪工作間。在這樣條件下，3倍頻采樣比在良好的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境性能差了很多，誤碼率很高。

　　經(jīng)分析代碼，發(fā)現(xiàn)3倍頻采樣方法在檢測異步數(shù)據(jù)起始位沒有任何的抗干擾處理。如果在接收線上存在干擾信號，即使是一個(gè)很窄負(fù)脈沖干擾，接收器也會誤判為是數(shù)據(jù)幀的起始位，從而產(chǎn)生采樣時(shí)鐘進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)采樣。圖3所示為存在干擾信號時(shí)，檢測起始位信號時(shí)序仿真波形。圖中COLCK3-IN是3倍頻采樣時(shí)鐘，CLOCK1-IN是數(shù)據(jù)波特率，DATAIN是接收線上的數(shù)據(jù)。從圖中看出，干擾信號后,COLCK3-IN時(shí)鐘產(chǎn)生，接收器接收數(shù)據(jù)。可見接收到的數(shù)據(jù)都是錯誤數(shù)據(jù)。簡單說，文獻(xiàn)2中所論述方法不能識別真假數(shù)據(jù)起始位。再從程序可移植性來說，3倍頻采樣時(shí)鐘是用三個(gè)數(shù)值進(jìn)行計(jì)數(shù)判斷而得，當(dāng)波特率改變，其數(shù)值都要做相應(yīng)改變，這就增加了程序的修改難度。

圖3　存在干擾信號時(shí)3倍頻采樣時(shí)序圖

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　　16倍頻采樣起始位的檢測

　　3倍頻采樣方法無法識別真假數(shù)據(jù)起始位，導(dǎo)致其抗干擾性差，準(zhǔn)確性得不到保證。筆者拋棄非常規(guī)3倍頻采樣方法，采用了常規(guī)的16倍頻采樣方法：采用數(shù)據(jù)速率的16倍進(jìn)行采樣，采樣時(shí)鐘連續(xù)采樣到8個(gè)低電平信號，可確定該低電平為真正的起始位，從而防止干擾信號產(chǎn)生的假起始位現(xiàn)象的發(fā)生。此后，接收器每隔16個(gè)采樣時(shí)鐘采樣一次，并把采樣到的數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，以移位方式存入到接收移位寄存器。16倍頻對接收線的采樣關(guān)系如圖4所示。

圖4　UART對數(shù)據(jù)的采樣

　　起始位檢測8個(gè)連續(xù)脈沖的另一個(gè)更重要的原因是，采用16倍頻采樣的時(shí)鐘，第8個(gè)采樣脈沖所對應(yīng)的數(shù)據(jù)波形正好是該位數(shù)據(jù)位波形的正中點(diǎn)(以時(shí)鐘上升沿采樣)，在該處讀寫數(shù)據(jù)應(yīng)該是最安全點(diǎn)。

　　在設(shè)計(jì)時(shí)，充分抓住異步數(shù)據(jù)的特征進(jìn)行設(shè)計(jì)：起始位為低電平、停止位為高電平、每幀數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)相同。根據(jù)異步數(shù)據(jù)這些特征就可設(shè)計(jì)出以下相應(yīng)程序：

　　process(clk16x,start) --產(chǎn)生clk1x時(shí)鐘進(jìn)程

　　begin

　　if start='0' then

　　q<="0001";

　　elsif clk16x'event and clk16x='1'

　　then

　　q<=q+1;

　　end if;

　　end process ;

　　clk1x<=q(3);

　　process(clk16x,i,serialin,rst) --起始位檢測進(jìn)程

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　　begin

　　if rst='1' then

　　start<='0';

　　elsif rising_edge(clk16x) then 　　 if serialin='0' then

　　start<='1' ;

　　elsif over='0' then

　　start<='1';

　　else start<='0';

　　end if;

　　end if;

　　end process;

　　process(clk1x,serialin,i,rst) --讀數(shù)據(jù)進(jìn)程

　　begin

　　if rst='1' then

　　buff<= (others => '1');

　　Dout_P<= (others => '1');

　　i<=0;

　　over<='1';

　　elsif rising_edge(clk1x) then

　　if i

　　buff21<=serialin;

　　i<=i+1;

　　over<='0'; 　　 else

　　i<=0;

　　over<='1';

　　Dout_P<=buff;

　　end if;

　　end if;

　　end process ;

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　　本設(shè)計(jì)采用VHDL硬件描述語言來進(jìn)行描述。clk16x為16倍頻采樣時(shí)鐘，clk1x是檢測到真正起始位后由clk16x時(shí)鐘分頻產(chǎn)生的采樣時(shí)鐘，start為開始接收數(shù)據(jù)信號(接收數(shù)據(jù)期間為高電平)、serialin為異步數(shù)據(jù)輸入端口。平常，接收器按clk16x時(shí)鐘上升采樣serialin。當(dāng)采樣時(shí)鐘檢測到低電平時(shí)輸出一個(gè)高電平給start信號，clk1x分頻計(jì)數(shù)器啟動。如果連續(xù)采集8個(gè)脈沖都為低電平(起始位之半)，即確定該低電平為起始位，輸出一個(gè)低電平給接收數(shù)據(jù)完信號over(接收數(shù)據(jù)期間為低電平，接收完數(shù)據(jù)為高電平)，over信號在低電平檢測共同作用下保持start為高電平。start長時(shí)間保持高電平(8個(gè)clk16周期T)產(chǎn)生clk1x時(shí)鐘。反之判別為假起始位，over仍然為高電平，start卻變?yōu)榈碗娖剑琧lk1x分頻計(jì)數(shù)器復(fù)位，一直等到下次檢測serialin為低電平才重新啟動。可見，只有確定了起始位，clk1x時(shí)鐘才會產(chǎn)生，否則不產(chǎn)生。而clk16x時(shí)鐘始終存在，保證不會錯過每次接收線上的數(shù)據(jù)采樣。

　　圖5所示為接收信號時(shí)序仿真波形。從圖中可以清楚看到clk1x的上升沿都對準(zhǔn)了每個(gè)數(shù)據(jù)的中間。圖6是存在干擾信號起始位檢測時(shí)序仿真波形。從圖中看到干擾信號后，沒有產(chǎn)生clk1x時(shí)鐘，接收器不接收數(shù)據(jù)。當(dāng)真正檢測到起始位，產(chǎn)生clk1x時(shí)鐘，接收器開始接收數(shù)據(jù)。改變數(shù)據(jù)波特率，clk1x計(jì)數(shù)值不用改變，只要改變clk16x的分頻計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值就可以了。對于自定義的異步數(shù)據(jù)，只要是起始位是低電平，停止位是高電平，改變length的值就可以接收不同位數(shù)數(shù)據(jù)。可見以上代碼容易移植。筆者在應(yīng)用中自定義21位異步數(shù)據(jù)驗(yàn)證了其性能優(yōu)越：無誤碼率高，抗干擾性強(qiáng)。

圖5 16倍頻采樣時(shí)序圖

圖6 16倍頻采樣時(shí)序圖（有干擾信號）

　　結(jié)語

　　按常規(guī)的16倍頻采樣方法接收異步數(shù)據(jù)，其抗干擾性、移植性等都優(yōu)于3倍頻采樣方法。實(shí)際應(yīng)用表明，提高采樣倍數(shù)，接收準(zhǔn)確性相應(yīng)提高;在一定范圍內(nèi)，提高數(shù)據(jù)波特率不會影響接收準(zhǔn)確性。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1. 朱明程、孫普譯，可編程邏輯系統(tǒng)的VHDL設(shè)計(jì)技術(shù)，東南大學(xué)出版社

　　2. 李剛強(qiáng)，基于VHDL的異步串行通信電路設(shè)計(jì)，電子開發(fā)網(wǎng)