基于FPGA的高速率多串口扩展的设计与实现

论文摘要

在通信、医疗、工业控制等诸多领域,经常会遇到需要一个微控制器与多个外围设备进行相互通信,而一般的微控制器都只带有一组或两组串口通信接口,在这种情况下,就需要用到多串口芯片,在实际应用中,经常用到的是TL16C554,SP2338,SP2358等扩展芯片,但是这些扩展芯片均有一定的局限性,如最多只有4个串口,串行速率慢,波特率不能自行配制,价格较贵等缺点。另一方面,八十年代中后期出现的FPGA经过二十多年的发展,由于其具有用户可编程的特性,已逐渐被市场所接受,并且FPGA有引领集成电路产业向前发展的势头。使用PLD来开发数字电路,可以大大缩短设计时间,减少PCB面积,提高系统的可靠性。PLD的这些优点使得PLD技术在90年代以后得到飞速的发展,同时也大大推动了EDA软件和硬件描述语言(HDL)的进步。工程师可以自己在FPGA的软件平台和硬件平台下设计串口扩展芯片。利用FPGA实现串口扩展的另一优势在于可以利用FPGA芯片剩余的资源空间进行多串口扩展功能实现,还可以与其他功能模块整合在一块FPGA上,这样就很好的节约了成本,减少了PCB的面积,这种优势是其它方案所无法比拟的。基于以上考虑,本文提出了一种基于FPGA的多串口设计方案,通过调用FPGA的双端口RAM内核作为数据缓存,可以在一块FPGA上实现八个甚至更多的标准串口,串口之间相互独立全双工工作;串口串行速率可以通过CPU写命令进行控制,可高达2Mbps;本文从项目整体分析、模块划分、各个模块的设计仿真、综合及后仿真验证等多个方面进行了详细的分析和设计,以保证本设计的可靠性和实用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 多串口扩展解决方案现状分析
• 1.2.1 利用写单片机控制字的方式进行扩展
• 1.2.2 利用可编程的串口扩展芯片TL16C554 进行扩展
• 1.2.3 利用SP2338 串口扩展芯片进行扩展
• 1.2.4 利用FPGA/CPLD 实现串口扩展
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 FPGA 技术和设计概述
• 2.1 引言
• 2.2 FPGA 简介
• 2.3 FPGA 结构与原理
• 2.3.1 基于乘积项技术的FPGA
• 2.3.2 基于查找表（LUT）的FPGA 结构
• 2.4 状态机的设计技巧
• 2.4.1 评判FSM 的标准
• 2.4.2 FSM 常用设计方法
• 2.4.3 状态机设计的其他技巧
• 2.5 FPGA 的基本设计流程
• 2.6 本章小结
• 第3章 UART 控制器设计
• 3.1 引言
• 3.2 RS-232 串口通信简介
• 3.2.1 串口通信概述
• 3.2.2 RS-232 协议
• 3.2.3 RS-232 通信时序和UART
• 3.2.4 串口通信实现方案
• 3.3 单个UART 模块的FPGA 实现
• 3.3.1 UART发送模块的组成原理
• 3.3.2 可编程波特率发生器模块
• 3.3.3 移位寄存器模块的实现
• 3.3.4 总线选择器模块的实现
• 3.3.5 计数器模块的实现
• 3.4 UART 接收机的实现
• 3.5 UART 的整体实现
• 3.6 本章小结
• 第4章 多串口扩展设计的FPGA 实现
• 4.1 引言
• 4.2 系统整体设计架构图
• 4.3 数据流控制模块设计
• 4.4 双端口RAM IP 核定制
• 4.5 双端口RAM 端口控制模块的设计
• 4.6 主机接口控制模块设计
• 4.7 双向I/O 总线端口设计
• 4.8 系统XST 综合报告
• 4.9 本章小结
• 第5章 设计逻辑验证和时序分析
• 5.1 引言
• 5.2 设计的逻辑验证
• 5.2.1 仿真和验证概述
• 5.2.2 多串口扩展设计的功能仿真验证
• 5.2.3 利用串口调试软件调试
• 5.3 设计的静态时序（STA）分析
• 5.3.1 STA 分析简介
• 5.3.2 STA 的时序路径
• 5.3.3 STA 的主要内容
• 5.4 系统STA 分析结果
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢