【正文】 目 錄任務(wù)書………………………………………………………………………………….Ⅰ開(kāi)題報(bào)告……………………………………………………………………………….Ⅱ指導(dǎo)教師審查意見(jiàn)…………………………………………………………………….Ⅲ評(píng)閱教師評(píng)語(yǔ)………………………………………………………………………….Ⅳ答辯會(huì)議記錄 …………………………………………………………………………Ⅴ中文摘要……………………………………………………………………………….Ⅵ外文摘要……………………………………………………………………………….Ⅶ前 言 11 引言 1 課題來(lái)源 1 課題研究的研究背景 1 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)及存在的主要問(wèn)題 2 課題研究的指導(dǎo)思想與技術(shù)路線 3 基于FPGA串口設(shè)計(jì)的技術(shù)要求 42 UART原理介紹 5 53 方案選擇 6 設(shè)計(jì)語(yǔ)言的選擇 6 電平轉(zhuǎn)換方式的選擇 7 FPGA核心芯片的選擇 74 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 9 器件芯片介紹 9 系統(tǒng)硬件框圖 14 主要組成電路分析 14 總電路圖設(shè)計(jì) 175 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 17 主程序流程圖 17 中斷子程序流程圖 19 DDS控制軟件設(shè)計(jì) 19 AD7886 軟件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 20 系統(tǒng)源程序 216 制作位移測(cè)量裝置的步驟 217 總結(jié) 22參考文獻(xiàn) 23致 謝 24附錄1 25附錄2 26附錄3 27基于FPGA的串口設(shè)計(jì)［摘要］隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展。人們?cè)谝笤O(shè)備性能不斷提升的同時(shí)，還要求設(shè)備功耗低﹑體積小﹑重量輕﹑可靠性高。UART因其可靠性高,傳輸距離遠(yuǎn)﹑線路簡(jiǎn)單而成為比較廣泛的串行數(shù)據(jù)通信電路，而現(xiàn)在大部分集成電路通信用的UART芯片，存在成本高，電路復(fù)雜，移植性較差等缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)是基于FPGA的嵌入式UART模塊化設(shè)計(jì)方法，將UART模塊集成到FPGA上，而這些模塊功能全部基于VHDL硬件描述語(yǔ)言,并通過(guò)有限狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的靈活性,降低了成本。論文的主要目標(biāo)是利用FPGA實(shí)現(xiàn)UART的功能與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)串口通信，UART的功能模塊通過(guò)MAX232將電平轉(zhuǎn)換后與PC機(jī)相連達(dá)到設(shè)計(jì)目的。 UART的功能模塊主要包括波特率產(chǎn)生模塊，數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，數(shù)據(jù)接收模塊三個(gè)部分，對(duì)各模塊的功能在文中都有詳細(xì)的介紹。整個(gè)設(shè)計(jì)都采用硬件描述語(yǔ)言（VHDL）實(shí)現(xiàn)，并且采用了分模塊的設(shè)計(jì)風(fēng)格，使設(shè)計(jì)的思路更清晰。［關(guān)鍵字］FPGA UART VHDL PC機(jī) MAX232 The Design Of Serial Base on FPGAFeng Ran: Chen Xiaojing, Electronic InformationChenXiaojing: Electronic Information [Abstract] With the rapid development of microelectronics technology, electronic equipment bee smaller and integrated．in the continuous upgrading of equipment requlrements at the same time，also called lowpower devices，small size，light weight，high reliability．UART because of its high reliability, long transmission distance ﹑lines bee broader and simple serial data munication circuit, but now most of the munication with the UART integrated circuit chip, high cost, circuit plexity, less portable, and other shortings. The design is based on modular FPGA design methodology for embedded UART, UART modules will be integrated into the FPGA, all based on these modules feature hardware description language VHDL and implemented through the finite state machine, and enhance design flexibility, reduced costs.前 言隨著FPGA/CPLD器件在控制領(lǐng)域的廣泛使用，開(kāi)發(fā)嵌于FPGA/CPLD器件內(nèi)部的通用異步收發(fā)器，以實(shí)現(xiàn)FPGA/CPLD開(kāi)發(fā)系統(tǒng)與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信是很有實(shí)際意義的。FPGA/CPLD器件與單片機(jī)、ARM等器件不同，內(nèi)部沒(méi)有集成UART，因此要實(shí)現(xiàn)串行通信，必須要獨(dú)立開(kāi)發(fā)UART模塊。本設(shè)計(jì)對(duì)于深入理解串口的工作原理和理解FPGA的工作流程具有啟示意義，并通過(guò)設(shè)計(jì)的過(guò)程FPGA的應(yīng)用能力和系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)能力將得到加強(qiáng)。1 引言 課題來(lái)源 結(jié)合科研 當(dāng)今社會(huì)是數(shù)字化的社會(huì)，是數(shù)字集成電路廣泛應(yīng)用的社會(huì)。數(shù)字集成電路本身在不斷地進(jìn)行更新?lián)Q代。它由早期的電子管、晶體管、小中規(guī)模集成電路、發(fā)展到超大規(guī)模集成電路(VLSIC，幾萬(wàn)門以上)以及許多具有特定功能的專用集成電路。但是，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)與制造集成電路的任務(wù)已不完全由半導(dǎo)體廠商來(lái)獨(dú)立承擔(dān)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們更愿意自己設(shè)計(jì)專用集成電路(ASIC)芯片，而且希望ASIC的設(shè)計(jì)周期盡可能短，最好是在實(shí)驗(yàn)室里就能設(shè)計(jì)出合適的ASIC芯片，并且立即投入實(shí)際應(yīng)用之中，因而出現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件(FPLD)，其中應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)和復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)。 通用異步收發(fā)器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）, 簡(jiǎn)稱為UART ) 由于具有數(shù)據(jù)通信時(shí)需要的連線少, 具有相關(guān)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供的標(biāo)準(zhǔn)的接口電平規(guī)范等優(yōu)點(diǎn), 在工業(yè)控制領(lǐng)域被廣泛采用. 近年來(lái), 隨著FPGA/ CPLD 器件在控制領(lǐng)域的廣泛使用, 開(kāi)發(fā)嵌于FPGA/ CPLD 器件內(nèi)部的通用異步收發(fā)器, 以實(shí)現(xiàn)FPGA/ CPLD 開(kāi)發(fā)系統(tǒng)與PC 機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信引起了FPGA / CPLD 領(lǐng)域研究人員的關(guān)注. 為此,本設(shè)計(jì)基于FPGA 器件設(shè)計(jì)了符合RS 232 標(biāo)準(zhǔn)的U ART , 便于實(shí)現(xiàn)FPGA/CPLD開(kāi)發(fā)系統(tǒng)與PC 機(jī)之間的串口數(shù)據(jù)交換。、發(fā)展趨勢(shì)及存在的主要問(wèn)題 通用異步收發(fā)器(Universal Asychronous Receiver Transmitter，UART)是雷達(dá)中常用的器件類型，多用于全機(jī)監(jiān)測(cè)、指令發(fā)送接收、狀態(tài)傳遞、鍵盤顯示操作以及控制等等。由于許多大的器件供應(yīng)商不再生產(chǎn)此類軍品級(jí)產(chǎn)品，因此，就必須另尋途徑解決其在雷達(dá)中的應(yīng)用問(wèn)題。利用可編程器件實(shí)現(xiàn)UART功能模塊，既可以滿足產(chǎn)品類別的需求又可以在使用中根據(jù)實(shí)際情況增減配置，是我們?cè)谠O(shè)計(jì)中值得考慮的一種方法。在嵌入式系統(tǒng)中，嵌入式CPU往往要通過(guò)各種串行數(shù)據(jù)總線與“外界”進(jìn)行通信。在應(yīng)用中，異步的串行數(shù)據(jù)通信用得較多，而通用異步收發(fā)器在其中扮演著重要角色：完成數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換，即把并行數(shù)據(jù)按照通信波特率轉(zhuǎn)化為通信協(xié)議中規(guī)定的串行數(shù)據(jù)流，也可從串行數(shù)據(jù)流中取出有用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿袛?shù)據(jù)。對(duì)FPGA芯片來(lái)說(shuō)，該芯片具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件功能可以通過(guò)軟件的編程修改參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣不僅從實(shí)時(shí)性上得到了提高，而且極大提高了電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通用性和靈活性，因此，UART接口技術(shù)的FPGA實(shí)現(xiàn)逐漸運(yùn)用于現(xiàn)代軍事工業(yè)。 FPGA是英文 Field Programmable Gate Array的縮寫，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。 FPGA 采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個(gè)新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB （Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個(gè)部分。 FPGA的基本特點(diǎn)主要有：1）采用FPGA設(shè)計(jì)ASIC電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。3）FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I／O引腳。4）FPGA是ASIC電路中設(shè)計(jì)周期最短、開(kāi)發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一。5）FPGA采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。 可以說(shuō)，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。目前FPGA的品種很多，有XILINX的XC系列，TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系等。FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來(lái)設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)的RAM進(jìn)行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。加電時(shí)，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用。FPGA的編程無(wú)須專用的FPGA編程器，只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。當(dāng)需要修改FPGA功能時(shí)，只需換一片EPROM即可。這樣，同一片F(xiàn)PGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA的使用非常靈活。 FPGA有多種配置模式：并行主模式為一片F(xiàn)PGA加一片EPROM的方式；主從模式可以支持一片PROM編程多片F(xiàn)PGA；串行模式可以采用串行PROM編程FPGA；外設(shè)模式可以將FPGA作為微處理器的外設(shè)，由微處理器對(duì)其編程。FPGA的設(shè)計(jì)難點(diǎn)：1）不同時(shí)鐘域轉(zhuǎn)換2）高速電路設(shè)計(jì)，信號(hào)完整性3）降低功耗UART（即Universal Asynchronous Recei