通用异步收发器UART设计.doc

通用异步收发器UART设计 现代电子系统设计一、实验原理：通用异步收发器是一种广泛应用的短距离串行传输接口。常用于短距离，低速，低成本的微机与下位机的通讯中，基本的UART连接通信图如下：RXD 设备二TXDGNDTXD设备一 TXDRXDGNDTXD UART只需两条信号线（RXD，TXD）和一条地线就可以完成全双工传输。由于UART是异步通讯，所以需要对数据进行同步，UART传输一个数据帧的内容如下：UART发送部分的用途是将准备输出的并行数据，按照基本帧格式，转为TXD信号串行输出，这里串行话的时钟信号只要使用对应要求的波特率的本地时钟即可。UART接收部分RXD接收串行信号并将其转化为并行数据，但串并转化的时钟显然同发送器一样处理，收发设备的时钟误差是会累计的，会导致接收数据不正确，这就需要用一个远远高于波特率的本地时钟信号对输入RXD不断取样，以不断让接收器和发送器保持同步，在设计中采用只有波特率时钟周期的1/16的时钟，需要用一个波特率发生器专门产生，因此本设计包含波特率发生器、UART接收器和发送器3个子模块和一个总模块。波特率发生器波特率发生器实际就是一个简单的分频器，可以根据给定的系统时钟频率（晶振时钟）和要求的波特率算出波特率分频因子。已算出的波特率因子作为分频器的分频数。波特率发生器产生的时钟频率不是波特率时钟频率，而是波特率时钟频率的16倍，目的是为在接收时进行精确地采样，以提出异步的串行数据。接收器内部采样时钟blck（波特率发生器产生）是发生或接收波特率时钟频率的16倍。所以需要至少8个连续blck周期的逻辑0被接收到，才认为起始位接收到，接着数据位将每隔16个blck周期被采样一次（即每一个波特率时钟采样一次），如果起始位的确是16个blck周期长，那么接下来的数据将在每个位的中点被采样。 收发器状态图如下： r_tart r_enterr_wart r_sampr_stop r_start:等待起始位。当UART接收器复位后，接收状态机将处于这一状态，在此状态，状态机一直等待RXD的电平跳变，从1变到0，即起始位，这意味着新的一帧UART的开始，一旦起始位被确定，状态将转入r_center 状态。r_center: 求中点。在本状态，就是由起始位求出每位中点，通过对bclk的个数进行计数（rcnt16）计数值不是理想的“1000” ，要经过一个状态，即经过一个bclk周期，所希望的是的到的是采样时的1/2位，另外，对于偶然出现的干扰脉冲，由于其周期很短，所以可以认为当保持逻辑0超过1/4个位时间的信号一定是起始位。r_wait: 等待采样。处于这一状态时，等待计满15个bclk，在第16个bclk是进入r_sample状态进行数据的采样检测，同时也判断是否采集的数据长度已达到数据帧的长度（Framelen），如果达到，说明停止位来临了。本设计中，Frample默认为8，即对应得UART工作在8位数据位，无校验位。r_sample: 数据位采样检测，完成后无条件转入r_wait状态，等待下次数据位的到来。r_stop: 无论停止位是1位还是1.5位，或是2位，状态机载r_stop状态下不具体检测RXD，只是输出帧接收完毕信号（rec_done=1）停止位后状态机转回到r_start状态，等待下一帧的起始位。发送器发送器状态转化图如下：x_Idlee x_startx_waitx_shiftx_stopx_Idle: 空闲状态。当UART被reset复位后，进入这一状态，在此状态中，UART的发送器一直在等待一个数据帧发送命令xmit_cmd。Xmit_cmd_p信号是对xmit_cmd的处理，xmit_cmd_p是一个短脉冲信号。当xmit_cmd_p=1时，进入x_start，准备发送起始位。x_start: 起始位。在此状态下，UART的发送器一个时间宽度的逻辑0信号至TXD，即起始位，紧接着状态机进入x_wait状态，xcnt16时bclk的计数器。x_wait:移位等待。 接收x_wait类似。x_shift: 移位状态。实现待发数据的并串转换。x_stop:停止位。 数据帧发送完毕，转入该状态，并发送16个bclk周期的逻辑1信号，即1位停止位，发送完停止位后回到x_Idle状态，并等待另外一个数据帧的发送命令。总模块 其实相当于UART的外部线路接口，就是成品的引脚图，它的接口一部份连接着其它模块，另一部份连接外部通信设备，其程序就是一些接口间数据的传送和接收。以下是对UART总模块中涉及的外部接口的简要说明。时钟信号clk（输入）：UART的系统时钟。复位信号rest(输入)）：UART系统总复位。16倍时钟bclk（输出）：16倍于波特率时钟。UART发送txd（输出）：UART异步串行发送端。发送缓冲xbuf（输入）：带发送数据输入。发送命令xmit_cmd（输入）：启动发送器发送一个UART帧。发送完成xmit_done（输出）：UART帧发送完成，等待新的发送命令。UART接收rxd（输入）：UART异步串行接收端。接收缓冲rbuf（输出）：接收数据缓冲，在下一个帧数据接收完毕时，数据缓冲rbuf会被更新，需要在此之前取走数据。接收准备rec_ready（输出）：接收协调信号，接收完毕后的下一帧接收准备好信号，在rec_ready有效时，rbuf已被更新。二、实验原程序：整体分四个模块，一个顶层模块，三个子模块顶层模块：uart A.：uart/uart.vmodule uart(clk,bclk,reset,rxd,txd,xmit_cmd,xmit_done,rec_ready,xbuf,rbuf);input clk;input reset;input rxd;input xmit_cmd;input 7:0 xbuf;output bclk;output txd;output xmit_done;output rec_ready;output 7:0 rbuf;wire bclk16;baud baud(.clk(clk),.reset(reset),.bclk(bclk),.bclk16(bclk16);u_rec u_rec(.bclk16(bclk16),.reset(reset),.rxd(rxd),.rec_ready(rec_ready),.rbuf(rbuf);u_xmit u_xmit(.bclk(bclk),.reset(reset),.txd(txd),.xmit_cmd(xmit_cmd),.xbuf(xbuf),.xmit_done(xmit_done);endmoduleB./波特率发生子模块：baud/baud.vmodule baud(clk,reset,bclk,bclk16);input clk;input reset;output bclk; /波特率时钟，给发送模块output bclk16; /16倍波特率时钟，给接收模块reg bclk;reg bclk16;reg 7:0 div_16baud;reg 3:0 div_baud;/parameter XTAL=12000000; /(83ns)/parameter BAUD=9600;parameter div_clk=36; /时钟的分频系数=XTAL/（BAUD*16*2）always (negedge clk or negedge reset)beginif(!reset)begindiv_16baud=8d0;bclk16=1b0;bclk=1b0;div_baud=4d1;endelseif(div_16baud=div_clk)begindiv_16baud=8d0;div_baud=div_baud+4d1;bclk16=bclk16;if(div_baud=4d15)begindiv_baud=4d0;bclk=bclk;endendelsediv_16baud=div_16baud+8d1;endendmoduleC./接收子模块：u_rec/u_rec.vmodule u_rec (bclk16,reset,rxd,rec_ready,rbuf);input bclk16;input reset;input rxd;output rec_ready;output 7:0 rbuf;reg rxd_sync; /接收端同步信号reg Shift; /右移使能信号reg 7:0 rbuf; /接收数据缓冲器reg 7:0 rec_shftreg; /接收数据移位寄存器reg 3:0 samplecnt;/采样间隔判断计数器reg center; /采样间隔判断计数器使能信号reg 4:0 datacnt;/数据位长度判断计数器reg datawait; /数据位长度判断计数器使能信号reg 4:0 state; /当前状态位reg rec_ready; /数据接收完毕信号（等待接受信号） 3parameter Framelen=4d8;/数据位长度/状态机状态编码，使用独热码parameter r_Start =5b00001;parameter r_Center=5b00010;parameter r_Wait =5b00100;parameter r_Sample=5b01000;parameter r_Stop =5b10000;/同步信号always (posedge bclk16 or negedge reset)if (!reset)rxd_sync=1d1;elserxd_sync=rxd;/右移寄存器always (posedge bclk16 or negedge reset)if (!reset)beginrec_shftreg=8d0;rbuf=8d0;endelseif(Shift)beginrec_shftreg6:0=rec_shftreg7:1;rec_shftreg7=rxd_sync;endelse rbuf=rec_shftreg;/采样间隔判断计数器always (posedge bclk16 or negedge reset)if (!reset)samplecnt=4d0;elseif(center)samplecnt=samplecnt+4d1;elsesamplecnt=4d0;/*状态机*always (posedge bclk16 or negedge reset)beginif (!reset)beginstate=r_Start;Shift=1b0;center=1b0;datawait=1b0;datacnt=4d0;endelsecase (state)r_Start:beginif(!rxd_sync)state=r_Center;elsebeginstate=r_Start;rec_ready=1b0;endendr_Center:beginif(samplecnt=2h3)begincenter=1b0;if(!rxd_sync)state=r_Wait;elsestate=r_Start;endelsebeginstate=r_Center;center=1b1;endendr_Wait:beginShift=1b0;if(samplecnt=4d13)begincenter=1b0;if(datacnt=Framelen)state=r_Stop;elsebeginstate=r_Sample;datacnt=datacnt+4d1;endendelsebeginstate=r_Wait;center=1b1;endendr_Sample:beginstate=r_Wait;Shift=1b1;datawait=1b0;endr_Stop:beginstate=r_Start;rec_ready=1b1;datacnt=3d0;enddefault:beginrxd_sync=1b1;Shift=1b0;rec_shftreg=8d0;samplecnt=4d0;center=1b0;datacnt=3d0;datawait=1b0;state=r_Start;rec_ready=1b1;endendcaseendendmoduleD./发送子模块：u_ xmit/u_xmit.vmodule u_xmit(bclk,reset,txd,xmit_cmd,xbuf,xmit_done);input bclk;input reset;input xmit_cmd;input 7:0 xbuf;output txd;output xmit_done;reg xmit_cmd_p; /发送命令脉冲reg flag; /发送命令判断标志位reg txd;reg 7:0 xmit_shftreg; /接收数据移位寄存器reg Shift; /右移使能信号reg 2:0 datacnt;/数据位长度判断计数器reg datawait; /数据位长度判断计数器使能信号reg xmit_done;/发送完毕信号reg 4:0 state; /当前状态位reg start; /起始位标志parameter Framelen=3d7; /数据位长度/状态机状态编码，使用独热码parameter x_Idle =5b00001;parameter x_Start=5b00010;parameter x_Wait =5b00100;parameter x_Shift=5b01000;parameter x_Stop =5b10000;/发送命令脉冲发生器always (posedge bclk or negedge reset)if(!reset)beginxmit_cmd_p=1b0;flag=1b0;endelse if(xmit_cmd&(!flag)beginflag=1b1;xmit_cmd_p=1b1;endelse if(!xmit_cmd)beginflag=1b0;xmit_cmd_p=1b0;endelse xmit_cmd_p=1b0;/右移寄存器always (posedge bclk or negedge reset)if(!reset)beginxmit_shftreg=8d0;txd=1b1;endelse if(Shift)begintxd=xmit_shftreg0;xmit_shftreg6:0=xmit_shftreg7:1;xmit_shftreg7=1b1;endelse if(start)begintxd=1b0;xmit_shftreg=xbuf;endelsebeginxmit_shftreg=xbuf;txd=1b1;end/数据位长度判断计数器always (posedge bclk or negedge reset)if (!reset)datacnt=3d0;elseif(datawait)datacnt=datacnt+3d1;elsedatacnt=3d0;/*状态机*always (posedge bclk or negedge reset)beginif (!reset)beginstate=x_Idle;Shift=1b0;datawait=1b0;start=1b0;endelsecase (state)x_Idle:beginif(xmit_cmd_p)state=x_Start;elsebeginstate=x_Idle;xmit_done=1b1;endendx_Start:beginstart=1b1;xmit_done=1b0;state=x_Wait;endx_Wait:beginstart=1b0;if(datacnt=Framelen)beginstate=x_Stop;datawait=1b0;Shift=1b0;endelsebeginstate=x