UART串口数据接收器--课程设计报告

EDA课程设计-0-课程设计报告课程EDA技术与应用题目UART串口数据接收器院系物理与电子工程学院年级专业电子信息工程班级3班学号学生姓名指导教师设计时间2010.12EDA课程设计-1-摘要UART(UniversalAsynchronousReceiverTransmitter通用异步收发器)是广泛使用的串行数据传输协议。UART允许在串行链路上进行全双工的通信。通过应用EDA技术,基于CPLD/FPGA器件设计与实现UART的波特率产生器、UART发送器和接收器及其整合电路,目的是熟练运用VHDL语言,掌握FPGA芯片的使用。波特率发生器、接收器和发送器是UART的三个核心功能模块，利用VHDL语言对这三个功能模块进行描述并加以整合，通过MaxPlusII仿真，用C++编写串口调试程序进行验证，其结果完全符合UART协议的要求和预期的结果。关键词：UART；串行通讯；VHDL语言；CPLD；仿真EDA课程设计-2-目录第一章课题概述....................................................................................................-3-1.1课题背景...........................................................................................................-3-1.2课题目的与意义...............................................................................................-3-第二章相关理论与技术.........................................................................................-4-2.1UART相关内容简介.........................................................................................-4-2.1.1复杂可编程逻辑器件FPGA简介..........................................................-4-2.1.2RS-232介绍..........................................................................................-4-2.1.3VHDL简介..............................................................................................-5-2.2UART协议介绍..........................................................................................-6-2.3硬件结构设计..............................................................................................-7-2.4软件设计............................................................................................................-7-2.5开发板介绍........................................................................................................-8-第三章课题详细设计与实现.................................................................................-9-3.1UART的整体设计..............................................................................................-9-3.2波特率发生器..................................................................................................-11-3.2.1波特率介绍...........................................................................................-11-3.2.2波特率的分频计算...............................................................................-11-3.3接收模块设计.................................................................................................-12-3.3.1接收模块原理......................................................................................-12-3.3.2接收模块仿真图..................................................................................-12-3.4串口调试软件.........................................................................................-13-3.5功能测试.................................................................................................-14-总结................................................................................................................-16-参考文献................................................................................................................-18-EDA课程设计-3-第一章课题概述1.1课题背景UART协议是数据通信及控制系统中广泛使用的一种全双工串行数据传输协议。波特率发生器、接收器和发送器是UART的三个核心功能模块，利用VHDL语言对这三个功能模块进行描述并加以整合UART（即UniversalAsynchronousReceiverTransmitter通用异步收发器）是广泛使用的串行数据传输协议。UART允许在串行链路上进行全双工的通信。串行外设用到RS232-C异步串行接口，一般采用专用的集成电路即UART实现。如8250、8251、NS16450等芯片都是常见的UART器件，这类芯片已经相当复杂，有的含有许多辅助的模块（如FIFO），有时我们不需要使用完整的UART的功能和这些辅助功能。或者设计上用到了FPGA/CPLD器件，那么我们就可以将所需要的UART功能集成到FPGA内部。使用VHDL或Veriolog-HDL将UART的核心功能集成，从而使整个设计更加紧凑、稳定且可靠。本文应用EDA技术，基于FPGA/CPLD器件设计与实现UART。1.2课题目的与意义实际应用上，有时我们不需要使用完整的UART的功能和这些辅助功能。使用VHDL将所需要的UART的核心功能集成到FPGA／CPLD内部，就可以实现紧凑、稳定且可靠的UART数据传输。这样，既可以满足实际的应用，实现所要求的简单的通信和控制，又能够去除更多不需要的繁杂复杂的功能实现。EDA课程设计-4-第二章相关理论与技术2.1UART相关内容简介2.1.1复杂可编程逻辑器件FPGA简介FPGA（Field－ProgrammableGateArray），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ConfigurableLogicBlock）、输出输入模块IOB（InputOutputBlock）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。2.1.2RS-232介绍RS232接口,就是普通电脑后面那个串口。一般为9针的，也有25针的。是1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解EDA课程设计-5-调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”(RS-232C,其中C表示此标准修改了三次).标准中包括了电气和机械方面的规定.该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定.后来随着设备的不断改进,成了目前大家普遍见到的9脚。在不使用传输控制信号的情况下,用3根线就可以传输了，9芯的是2收3发5地，25芯的是2发3收7地。两设备用RS232相连的时候为收——发，发——收，地——地。2.1.3VHDL简介VHDL语言是一种用于电路设计的高级语言。它在80年代的后期出现。最初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的一种使用范围较小的设计语言。VHDL的英文全写是：VHSIC（VeryHighSpeedIntegratedCircuit）HardwareDescriptionLanguage.翻译成中文就是超高速集成电路硬件描述语言。因此它的应用主要是应用在数字电路的设计中。目前，它在中国的应用多数是用在FPGA/CPLD/EPLD的设计中。当然在一些实力较为雄厚的单位，它也被用来设计ASIC。VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式、描述风格以及语法是十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分,及端口)和内部（或称不可视部分），EDA课程设计-6-既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。2.2UART协议介绍基本的UART通信只需要两条信号线(RxD，TxD)就可以完成数据的全双工通信任务。TxD是UART发送端，为输出；RxD是UART接收端，为输入。UART的