基于SOPC的嵌入式高速串口設(shè)計(jì)(06-100)

　　無(wú)論是主機(jī)模塊還是外圍模塊均采用相同的串口通信設(shè)計(jì)，串口通信設(shè)計(jì)包含兩個(gè)主要部分：通信接口部分和管理控制部分。通信接口部分主要完成數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的封裝和解封裝，并通過(guò)幀頭的分析識(shí)別進(jìn)行時(shí)隙定位，同時(shí)能讓系統(tǒng)內(nèi)的每一終端實(shí)現(xiàn)多機(jī)共享通信資源的通信機(jī)制，該模塊由VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。管理控制部分由NiosII軟核實(shí)現(xiàn)的，為了能在串行通信方式上實(shí)現(xiàn)時(shí)分復(fù)用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多設(shè)備同時(shí)通信，系統(tǒng)設(shè)計(jì)出一套完整而獨(dú)特的控制幀格式，并通過(guò)這些幀格式控制實(shí)現(xiàn)建立連接，撤銷連接和相應(yīng)管理。因此，利用NiosII的特點(diǎn)，形成特殊的幀頭判決、同步時(shí)鐘提取、控制信息的判斷、收發(fā)模式變換，這些都依賴專用模塊的實(shí)施并靠高速執(zhí)行速度來(lái)適應(yīng)多終端下的高傳輸速率。

　　鑒于以上系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)計(jì)要求，串口通信采用模塊化設(shè)計(jì)思路和方法，模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　NiosII軟核CPU開(kāi)發(fā)工具SOPC Builder提供簡(jiǎn)潔的操作方式，可將用戶的數(shù)字電路模塊封裝成標(biāo)準(zhǔn)的NiosII軟核外設(shè)模塊，這使得NiosII軟核可以很容易地與用戶邏輯結(jié)合，構(gòu)成功能更加強(qiáng)大的SOC系統(tǒng)。在高速串口數(shù)據(jù)通信的設(shè)計(jì)中，既需要一個(gè)高速的處理器作為系統(tǒng)的控制管理核心，又有大量用戶自定義的數(shù)字電路功能模塊需要在FPGA芯片中實(shí)現(xiàn)，因此，采用FPGA芯片和NiosII軟核CPU作為高速串口數(shù)據(jù)通信的硬件平臺(tái)是一個(gè)優(yōu)化的選擇。
　　
　　通信接口模塊設(shè)計(jì)

　　通信接口模塊設(shè)計(jì)采用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)，由兩部分組成：數(shù)據(jù)幀發(fā)送電路和數(shù)據(jù)幀接收電路。數(shù)據(jù)幀發(fā)送電路將NiosII 要發(fā)送的數(shù)據(jù)、地址按照數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行組幀，然后同步傳輸?shù)娇偩€上，該部分設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是并串轉(zhuǎn)換、合并數(shù)據(jù)和同步控制，數(shù)據(jù)的發(fā)送率為5Mbits/s，而工作時(shí)鐘fclk為25MHz，對(duì)fclk進(jìn)行5分頻，得發(fā)送時(shí)鐘ftxd為5MHz。當(dāng)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，每一個(gè)即ftxd的上升沿到來(lái)時(shí)傳送數(shù)據(jù)，先發(fā)送幀頭2字節(jié)引導(dǎo)序列，即“1110011100111110”，然后發(fā)送串行數(shù)據(jù)。由于NiosII的內(nèi)部數(shù)據(jù)寬度通常是32位，故將1字節(jié)地址和3字節(jié)數(shù)據(jù)由軟件將其合并成一組32位寬度的數(shù)據(jù)，合并時(shí)地址在低位，數(shù)據(jù)在高位，然后將要發(fā)送的32位數(shù)據(jù)緩存在一個(gè)32位寬度的矢量區(qū)間，引導(dǎo)序列結(jié)束后從低位到高位依次發(fā)送數(shù)據(jù)，即data[0]、data[1]……data[31]，最后發(fā)送結(jié)束標(biāo)志字節(jié)“1110011”，發(fā)送結(jié)束。

　　接收電路的設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題是如何準(zhǔn)確判斷到數(shù)據(jù)幀頭，然后解析地址，數(shù)據(jù)的速率為5Mbit/s，F(xiàn)PGA的工作時(shí)鐘fclk為25MHz，參考RS-232串口通信的設(shè)計(jì)思想，用高倍時(shí)鐘對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，即每5個(gè)fclk采樣一個(gè)bit，此處可以先設(shè)計(jì)一個(gè)5進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每一次計(jì)數(shù)，保存采集的數(shù)據(jù)，在第2、3、4次采樣時(shí)，若所采到的值相同，則判斷這個(gè)bit為當(dāng)前的采樣值。在判斷2字節(jié)引導(dǎo)序列時(shí)采用狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)法和序列檢測(cè)器的設(shè)計(jì)思想，判斷第1個(gè)bit是否為‘0’，如果是‘0’則繼續(xù)判斷下一bit是否為‘1’,如果是‘1’則一直等待在第1狀態(tài)直到判斷到‘0’才跳轉(zhuǎn)，判斷狀態(tài)機(jī)如圖3所示。