基于CPLD的异步串行通讯控制器的研究与设计

1 引 言

串行通信实际上就是两台电子设备之间一位一位地发送和接收数据，它分为同步通信和异步通信两类。异步串行通信无需数据时钟、帧同步时钟等时钟信号，数据的发送和接收是自同步的，完全依靠收发双方约定的传输波特率和数据线自身的电平变化来正确地收发数据位流，而且又因为它连线简单，可以直接与PC机等带异步串口的设备相连，同时它又采用RS 232电平，传输的距离要比同步通信的长。正因为有上述的优点，异步串行通信被广泛应用在要进行远距离遥测遥控的航天电子工程中。

但是，一般的处理器芯片都带有同步串行接口，只有少数韵处理器，如TMS320F2XX、TMS320F24XX带有速度相对较低的异步串口。为了实现那些没有带有异步串行接口的处理器能够与其他设备进行异步串行通信，可以采用复杂可编程逻辑器件CPLD技术，并结合异步串行通信的协议，对异步串行通信接口电路进行设计与实现，该方法开发周期短，并且CPLD的时序严格，速度较快，可编程性好，还可以用于完成电子系统的其他逻辑功能的设计，如实现系统的译码和专门的缓冲电路。这样一块电路板上的外围元器件数量就大大减少，系统的灵活性更好，调试也变得简单的多了，同时，系统的功能模块完成后可以先通过计算机进行仿真，再实际投入使用，降低了使用风险性。

2异步串行通信的原理

异步串行通信方式是把一个字符看作一个独立的信息单元，并且字符出现在数据流中的相对时间是任意的，而每一个字符中的各位是以固定的时间传送。因此这种方式在同一字符内部是同步的，而字符间是异步的。

异步通信的主要特点是字符帧的传输格式，这样就使得发送方可以在字符之间可根据实际的需要插入不同的时间问隔，即每一个字符的发送是随机的。异步串行通信是以数据帧的格式传送的，1个字符开始传输前，输出线必须在逻辑上处于‘1’状态，这称为标识态。传输一开始，输出线由标识态变为‘0’状态，从而作为起始位。起始位后面为5～8个信息位，信息位由低到高排列，即第1位为字符的最低位，在同一传输系统中，信息位的数目是固定的。信息位后面为校验位，校验位可以按奇校验设置，也可以按偶校验设置，不过，校验位也可以不设置。最后的数位为‘1’，它作为停止位，停止位可为1位、1.5位或者2位。如果传输完1个字符以后，立即传输下一个字符，那么，后一个字符的起始位便紧挨着前一个字符的停止位了，否则，输出线又会立即进入标识态，即逻辑上处于‘1’。图1是两个字节0XA0和0X67被传输的帧的格式。

在通信中发送方和接收方之间允许没有共同的时钟，所以在异步通信中，收发双方取得同步的方法是采用在字符格式中设置起始位和停止位的办法。每一个字符传输前，信号线上始终为高电平，一旦开始传送就要先传送一个低电平的起始位，这样接收方就开始接收数据，从而与发送方保持同步(格式上的同步)。通信双方可按使用需要随时改变通信协议，即改变数据位、奇偶校验位和停止位长度和数据传输率。

3异步串行通讯控制器的结构设计

异步串行通讯控制器的内部结构可分为控制逻辑电路和寄存器组两大部分。在控制逻辑电路中，包括波特率控制电路、读写控制逻辑电路、发送控制电路、接收控制电路、调制解调器控制逻辑电路、中断控制逻辑电路和内部总线控制逻辑电路。寄存器组分为模式寄存器、控制寄存器和状态寄存器。结构框图如图2所示。

该异步串行通讯控制器提供的模式寄存器和控制寄存器，用来设定奇偶校验、传输速率、握手机制以及中断。在这个设计中，提供了3种奇偶校验选择：不采用、奇校验或偶校验。传输速率的设定是通过向模式寄存器中设置特定的数值，来选择波特率因子，再结合外部连入的时钟信号就可以得出传输的波特率了。它们之间的关系是：时钟频率=波特率因子×波特率。

3.1发送数据模块

串行异步通信的发送器的实现要比接收器简单很多。没有数据要发送时，发送数据寄存器为空，发送器处于空闲状态；当检测到发送数据寄存器满信号后，发送器开始发送起始位，同时8个数据位被并行装入发送移位寄存器，停止位紧接着数据位指示数据帧结束。只有发送数据寄存器为空时，待发送的数据才能被装入，在设计中用一个TxE信号来告诉CPU此时控制器的发送寄存器为空。程序中使用计数器来保证发送数据时时钟的正确。这里使用一个状态机描述发送过程，图3是发送器状态机状态转换示意图。

作者：李洪威，张遂南 来源：中电网