通用異步收發(fā)器UART設(shè)計(jì)說明.doc

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1、通用異步收發(fā)器UART設(shè)計(jì)——現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)原理：通用異步收發(fā)器是一種廣泛應(yīng)用的短距離串行傳輸接口。常用于短距離，低速，低成本的微機(jī)與下位機(jī)的通訊中，—基本的UART連接通信圖如下：RXD設(shè)備二TXDGNDTXD設(shè)備一TXDRXDGNDTXDUART只需兩條信號(hào)線（RXD，TXD）和一條地線就可以完成全雙工傳輸。由于UART是異步通訊，所以需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步，UART傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)幀的容如下：UART發(fā)送部分的用途是將準(zhǔn)備輸出的并行數(shù)據(jù)，按照基本幀格式，轉(zhuǎn)為TXD信號(hào)串行輸出，這里串行話的時(shí)鐘信號(hào)只要使用對(duì)應(yīng)要求的波特率的本地時(shí)鐘即可。UART接收部分RXD

2、接收串行信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為并行數(shù)據(jù)，但串并轉(zhuǎn)化的時(shí)鐘顯然同發(fā)送器一樣處理，收發(fā)設(shè)備的時(shí)鐘誤差是會(huì)累計(jì)的，會(huì)導(dǎo)致接收數(shù)據(jù)不正確，這就需要用一個(gè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于波特率的本地時(shí)鐘信號(hào)對(duì)輸入RXD不斷取樣，以不斷讓接收器和發(fā)送器保持同步，在設(shè)計(jì)中采用只有波特率時(shí)鐘周期的1/16的時(shí)鐘，需要用一個(gè)波特率發(fā)生器專門產(chǎn)生，因此本設(shè)計(jì)包含波特率發(fā)生器、UART接收器和發(fā)送器3個(gè)子模塊和一個(gè)總模塊。波特率發(fā)生器波特率發(fā)生器實(shí)際就是一個(gè)簡(jiǎn)單的分頻器，可以根據(jù)給定的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率（晶振時(shí)鐘）和要求的波特率算出波特率分頻因子。已算出的波特率因子作為分頻器的分頻數(shù)。波特率發(fā)生器產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率不是波特率時(shí)

3、鐘頻率，而是波特率時(shí)鐘頻率的16倍，目的是為在接收時(shí)進(jìn)行精確地采樣，以提出異步的串行數(shù)據(jù)。接收器...部采樣時(shí)鐘blck（波特率發(fā)生器產(chǎn)生）是發(fā)生或接收波特率時(shí)鐘頻率的16倍。所以需要至少8個(gè)連續(xù)blck周期的邏輯0被接收到，才認(rèn)為起始位接收到，接著數(shù)據(jù)位將每隔16個(gè)blck周期被采樣一次（即每一個(gè)波特率時(shí)鐘采樣一次），如果起始位的確是16個(gè)blck周期長(zhǎng)，那么接下來的數(shù)據(jù)將在每個(gè)位的中點(diǎn)被采樣。收發(fā)器狀態(tài)圖如下：r_tartr_enterr_wartr_sampr_stopr_start:等待起始位。當(dāng)UART接收器復(fù)位后，接收狀態(tài)機(jī)將處于這一狀態(tài)，在此狀態(tài)，狀態(tài)

4、機(jī)一直等待RXD的電平跳變，從1變到0，即起始位，這意味著新的一幀UART的開始，一旦起始位被確定，狀態(tài)將轉(zhuǎn)入r_center狀態(tài)。r_center:求中點(diǎn)。在本狀態(tài)，就是由起始位求出每位中點(diǎn)，通過對(duì)bclk的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)（rcnt16）計(jì)數(shù)值不是理想的“1000”，要經(jīng)過一個(gè)狀態(tài)，即經(jīng)過一個(gè)bclk周期，所希望的是的到的是采樣時(shí)的1/2位，另外，對(duì)于偶然出現(xiàn)的干擾脈沖，由于其周期很短，所以可以認(rèn)為當(dāng)保持邏輯0超過1/4個(gè)位時(shí)間的信號(hào)一定是起始位。r_wait:等待采樣。處于這一狀態(tài)時(shí)，等待計(jì)滿15個(gè)bclk，在第16個(gè)bclk是進(jìn)入r_sample狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采

5、樣檢測(cè)，同時(shí)也判斷是否采集的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度已達(dá)到數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度（Framelen），如果達(dá)到，說明停止位來臨了。本設(shè)計(jì)中，F(xiàn)rample默認(rèn)為8，即對(duì)應(yīng)得UART工作在8位數(shù)據(jù)位，無校驗(yàn)位。r_sample:數(shù)據(jù)位采樣檢測(cè)，完成后無條件轉(zhuǎn)入r_wait狀態(tài)，等待下次數(shù)據(jù)位的到來。r_stop:無論停止位是1位還是1.5位，或是2位，狀態(tài)機(jī)載r_stop狀態(tài)下不具體檢測(cè)RXD，只是輸出幀接收完畢信號(hào)（rec_done<=1）停止位后狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)回到r_start狀態(tài)，等待下一幀的起始位。發(fā)送器發(fā)送器狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖如下：x_Idleex_startx_waitx_shiftx_stop

6、x_Idle:空閑狀態(tài)。當(dāng)UART被reset復(fù)位后，進(jìn)入這一狀態(tài)，在此狀態(tài)中，UART的發(fā)送器一直在等待一個(gè)數(shù)據(jù)幀發(fā)送命令xmit_cmd。X...mit_cmd_p信號(hào)是對(duì)xmit_cmd的處理，xmit_cmd_p是一個(gè)短脈沖信號(hào)。當(dāng)xmit_cmd_p=1時(shí)，進(jìn)入x_start，準(zhǔn)備發(fā)送起始位。x_start:起始位。在此狀態(tài)下，UART的發(fā)送器一個(gè)時(shí)間寬度的邏輯0信號(hào)至TXD，即起始位，緊接著狀態(tài)機(jī)進(jìn)入x_wait狀態(tài)，xcnt16時(shí)bclk的計(jì)數(shù)器。x_wait:移位等待。接收x_wait類似。x_shift:移位狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)待發(fā)數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換。x_sto

7、p:停止位。數(shù)據(jù)幀發(fā)送完畢，轉(zhuǎn)入該狀態(tài)，并發(fā)送16個(gè)bclk周期的邏輯1信號(hào)，即1位停止位，發(fā)送完停止位后回到x_Idle狀態(tài)，并等待另外一個(gè)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送命令。總模塊其實(shí)相當(dāng)于UART的外部線路接口，就是成品的引腳圖，它的接口一部份連接著其它模塊，另一部份連接外部通信設(shè)備，其程序就是一些接口間數(shù)據(jù)的傳送和接收。以下是對(duì)UART總模塊中涉及的外部接口的簡(jiǎn)要說明。時(shí)鐘信號(hào)clk（輸入）：UART的系統(tǒng)時(shí)鐘。復(fù)位信號(hào)rest(輸入)）：UART系統(tǒng)總復(fù)位。16倍時(shí)鐘bclk（輸出）：16倍于波特率時(shí)鐘。UART發(fā)送txd（輸出）：UART異步串行發(fā)送端。發(fā)送緩沖xbu