基于FPGA的多UART扩展与实现.pdf

在探讨基于现场可编程门阵列（FPGA）的多通用异步收发器（UART）扩展与实现时，我们需要了解几个关键技术点和相关的概念。 UART是一种常用的串行通信协议，它广泛应用于嵌入式通信系统中。其可编程能力和高稳定性是UART受到青睐的主要原因。UART支持全双工通信，资源简单、操作方便、抗干扰能力强、易于实现等特点使其成为最普遍应用的串行通信协议。 在嵌入式系统、工业控制和计算机外设等领域，开发者往往需要在数量上扩展UART接口。常规的扩展方法有：时分复用（TDM），软件编程实现以及使用专用芯片扩展等。时分复用技术是指多个设备通过在不同时间占用串行总线进行通信，这种方法有可能会增加处理器的处理时间。软件编程实现则是通过编程处理器的通用输入输出接口来模拟UART的通信时序。使用专用芯片进行总线扩展是一种较为常见的方法，比如使用8250或8251等芯片。但是这些方法有的会占用处理器的大量处理时间，有的会增加外围电路板设计的复杂度，并且难以进行硬件系统的升级。 FPGA作为一种可编程逻辑芯片，已经成为实现数据采集、并行算法、接口电路转换设计的重要工具。随着半导体技术的发展和EDA工具的提升，FPGA以其资源丰富、工作效率高和设计灵活性强等优势，越来越多地应用于各种硬件开发领域。 本文介绍的多UART通信接口系统是基于Verilog HDL语言设计实现的。它具有通过外部总线配置每个UART波特率的能力，并且在UART通信协议中加入了奇偶校验位以减少通信错误率。这样的设计确保了通信过程的准确性与可靠性。 在设计流程中，首先是使用Modelsim软件进行仿真验证，以确保设计符合预期的功能。接着利用Quartus II软件进行综合以及布局布线，也就是将HDL代码综合成FPGA上可实现的硬件逻辑，并在FPGA上完成实际的物理布局和布线。最终将设计下载到FPGA芯片中，进行实际的系统测试，验证系统的正确性和可靠性。 UART状态机是UART通信接口系统中的关键组成部分。它负责协调和管理UART接口的操作流程，包括数据的发送和接收过程。在多UART通信接口系统中，可能需要多个这样的状态机，以支持并行的多个串行通信。 计数器在UART设计中通常用于产生波特率，也就是每秒传输的比特数。根据设计需求，计数器可以通过外部总线进行配置，从而设定不同的波特率，以适应不同的通信速率。 由于FPGA具有灵活的硬件编程能力，因此多UART接口的实现可以有效地利用FPGA的可编程资源。与传统的专用芯片相比，使用FPGA实现可以更容易地进行后续升级和扩展，有助于减少对外围电路板设计复杂度的影响。 基于FPGA的多UART扩展与实现在工业和嵌入式系统中具有重要的实际应用价值。它不仅提升了系统的灵活性和可扩展性，也体现了FPGA在硬件开发领域中作为强大工具的地位。随着技术的不断进步，我们可以预见FPGA在未来嵌入式通信系统设计中将扮演更加重要的角色。