【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 個(gè)設(shè)備狀態(tài)信號(hào)有效，只表示設(shè)備本身可用，并不說(shuō)明通信鏈路可以開(kāi)始進(jìn)行通信了，能否開(kāi)始進(jìn)行通信要由下面的控制信號(hào)決定。 　　請(qǐng)求發(fā)送(Request to sendRTS)——用來(lái)表示DTE請(qǐng)求DCE發(fā)送數(shù)據(jù)，即當(dāng)終端要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，使該信號(hào)有效（ON狀態(tài)），向MODEM請(qǐng)求發(fā)送。它用來(lái)控制MODEM是否要進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)。 　　允許發(fā)送（Clear to sendCTS）——用來(lái)表示DCE準(zhǔn)備好接收DTE發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，是對(duì)請(qǐng)求發(fā)送信號(hào)RTS的響應(yīng)信號(hào)。當(dāng)MODEM已準(zhǔn)備好接收終端傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并向前發(fā)送時(shí)，使該信號(hào)有效，通知終端開(kāi)始沿發(fā)送數(shù)據(jù)線TxD發(fā)送數(shù)據(jù)。 　　這對(duì)RTS/CTS請(qǐng)求應(yīng)答聯(lián)絡(luò)信號(hào)是用于半雙工MODEM系統(tǒng)中發(fā)送方式和接收方式之間的切換。在全雙工系統(tǒng)中，因配置雙向通道，故不需要RTS/CTS聯(lián)絡(luò)信號(hào)，使其變高。 　　接收線信號(hào)檢出(Received Line detectionRLSD)——用來(lái)表示DCE已接通通信鏈路，告知DTE準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。當(dāng)本地的MODEM收到由通信鏈路另一端（遠(yuǎn)地）的MODEM送來(lái)的載波信號(hào)時(shí)，使RLSD信號(hào)有效，通知終端準(zhǔn)備接收，并且由MODEM將接收下來(lái)的載波信號(hào)解調(diào)成數(shù)字兩數(shù)據(jù)后，沿接收數(shù)據(jù)線RxD送到終端。此線也叫做數(shù)據(jù)載波檢出(Data Carrier dectectionDCD）線。 　　振鈴指示(RingingRI)——當(dāng)MODEM收到交換臺(tái)送來(lái)的振鈴呼叫信號(hào)時(shí)，使該信號(hào)有效（ON狀態(tài)），通知終端，已被呼叫。 　?。?）數(shù)據(jù)發(fā)送與接收線： 　　發(fā)送數(shù)據(jù)(Transmitted dataTxD)——通過(guò)TxD終端將串行數(shù)據(jù)發(fā)送到MODEM，(DTE→DCE)。 　　接收數(shù)據(jù)(Received dataRxD)——通過(guò)RxD線終端接收從MODEM發(fā)來(lái)的串行數(shù)據(jù)，(DCE→DTE)。 　?。?）地線 ： 　　　GND、——保護(hù)地和信號(hào)地，無(wú)方向。 　　上述控制信號(hào)線何時(shí)有效，何時(shí)無(wú)效的順序表示了接口信號(hào)的傳送過(guò)程。例如，只有當(dāng)DSR和DTR都處于有效（ON）狀態(tài)時(shí)，才能在DTE和DCE之間進(jìn)行傳送操作。若DTE要發(fā)送數(shù)據(jù)，則預(yù)先將DTR線置成有效(ON)狀態(tài)，等CTS線上收到有效(ON)狀態(tài)的回答后，才能在TxD線上發(fā)送串行數(shù)據(jù)。這種順序的規(guī)定對(duì)半雙工的通信線路特別有用，因?yàn)榘腚p工的通信才能確定DCE已由接收方向改為發(fā)送方向，這時(shí)線路才能開(kāi)始發(fā)送。 　　2個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)：發(fā)送TXD；接收RXD。 　　1個(gè)信號(hào)地線：SG。 　　6個(gè)控制信號(hào)： 　　DSR 數(shù)傳發(fā)送準(zhǔn)備好，Data Set Ready。 　　DTR 數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好，Data Terminal Ready。 　　RTS DTE請(qǐng)求DCE發(fā)送（Request To Send）。 　　CTS DCE允許DTE發(fā)送（Clear To Send），該信號(hào)是對(duì)RTS信號(hào)的回答。 　　DCD 數(shù)據(jù)載波檢測(cè)（Data Carrier Detection），當(dāng)本地DCE設(shè)備（Modem）收到對(duì)方的DCE設(shè)備送來(lái)的載波信號(hào)時(shí)，使DCD有效，通知DTE準(zhǔn)備接收， 并且由DCE將接收到的載波信號(hào)解調(diào)為數(shù)字信號(hào)， 經(jīng)RXD線送給DTE。 　　RI 振鈴信號(hào)（Ringing），當(dāng)DCE收到對(duì)方的DCE設(shè)備送來(lái)的振鈴呼叫信號(hào)時(shí)，使該信號(hào)有效，通知DTE已被呼叫。 　　由于RS232接口標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)較早，難免有不足之處，主要有以下四點(diǎn)： 　?。?）接口的信號(hào)電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因?yàn)榕cTTL電平不兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與TTL電路連接。 　?。?）傳輸速率較低，在異步傳輸時(shí)，波特率≤20Kbps。 　?。?）接口使用一根信號(hào)線和一根信號(hào)返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。 （4）傳輸距離有限，最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為50英尺（實(shí)際≤15米）。RS232（DB9）接口定義圖8 接口說(shuō)明1 DCD 載波檢測(cè) 　　2 RXD 接收數(shù)據(jù) 3 TXD 發(fā)送數(shù)據(jù) 　　4 DTR 數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好 　　5 SG 信號(hào)地 　　6 DSR 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好 　　7 RTS 請(qǐng)求發(fā)送 8 CTS 允許發(fā)送 9 RI 振鈴提示 系統(tǒng)硬件框圖FPGAAS下載方式 JTAG接口MAX232PC終端電源時(shí)鐘晶振圖9 系統(tǒng)硬件圖 主要組成電路分析本系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)主要包括兩個(gè)部分：FPGA模塊、電平轉(zhuǎn)換模塊。 FPGA模塊 FPGA模塊主要由波特率產(chǎn)生模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)接收模塊三部分組成。下圖為FPGA的頂層原理圖。圖10 .頂層模塊的電路圖波特率產(chǎn)生模塊: 波特率發(fā)生器實(shí)際上就是一個(gè)分頻器?？梢愿鶕?jù)給定的系統(tǒng)時(shí)鐘（晶振時(shí)鐘）和要求的波特率算出波特率分頻因子，算出的波特率分頻器的分頻數(shù)。即分頻數(shù)=系統(tǒng)時(shí)鐘／(16波特率)，波特率分頻數(shù)可以根據(jù)不同的應(yīng)用需要更改。題目要求波特率為9600bit/s，由于FPGA的EP1C12核心板提供了高精度、高穩(wěn)定性的40MHz時(shí)鐘源。波特率發(fā)生器模塊圖如下所示圖11 波特率發(fā)生器模塊圖波特率發(fā)生器的仿真結(jié)果如圖：Clk：時(shí)鐘信號(hào)周期Resetb：復(fù)位信號(hào)Bclk：輸出波特率時(shí)鐘信號(hào)周期圖12 波特率發(fā)生器的仿真波形UART接收器模塊: 由于串行數(shù)據(jù)幀和接收時(shí)鐘是異步的，由邏輯1轉(zhuǎn)為邏輯0可以被視為一個(gè)數(shù)據(jù)幀的起始位。然而，為了避免毛刺影響，能夠得到正確的起始位信號(hào)，必須要求接收到的起始位在波特率時(shí)鐘采樣的過(guò)程中至少有一半都是屬于邏輯0才可認(rèn)定接收到的是起始位。由于內(nèi)部采樣時(shí)鐘bclk周期（由波特率發(fā)生器產(chǎn)生）是發(fā)送或接收波特率時(shí)鐘頻率的16倍，所以起始位需要至少8個(gè)連續(xù)bclk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)位和奇偶校驗(yàn)位將每隔16個(gè)bclk周期被采樣一次（即每一個(gè)波特率時(shí)鐘被采樣一次）。如果起始位的確是16個(gè)bclk周期長(zhǎng)，那么接下來(lái)的數(shù)據(jù)將在每個(gè)位的中點(diǎn)處被采樣。R_START狀態(tài)：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)機(jī)一直在等待RXD的電平跳轉(zhuǎn)，從邏輯1變?yōu)檫壿?，即起始位，這意味著新的一幀UART數(shù)據(jù)幀的開(kāi)始，一旦起始位被確定，狀態(tài)機(jī)將轉(zhuǎn)入R_CENTER狀態(tài)。圖6中的RXD_SYNC信號(hào)是RXD的同步信號(hào)，因?yàn)樵谶M(jìn)行邏輯1或邏輯0判斷時(shí)，不希望檢測(cè)的信號(hào)是不穩(wěn)定的，所以不直接檢測(cè)RXD信號(hào)，而是檢測(cè)經(jīng)過(guò)同步后的RXD_SYNC信號(hào)。 R_CENTER狀態(tài)：對(duì)于異步串行信號(hào)，為了使每一次都檢測(cè)到正確的位信號(hào)，而是在較后的數(shù)據(jù)位檢測(cè)時(shí)累計(jì)誤差較小，顯然在每位的中點(diǎn)檢測(cè)是最為理想的。在本狀態(tài)，就是由起始位求出每位的中點(diǎn)，通過(guò)對(duì)bclk的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)（RCNT16），但計(jì)數(shù)值不是想當(dāng)然的“1000”，要考慮經(jīng)過(guò)一個(gè)狀態(tài)，也即經(jīng)過(guò)了一個(gè)bclk周期，所希望得到的是在采樣時(shí)1/2位。另外，可能在R_START狀態(tài)檢測(cè)到的起始位不是真正的起始位，可能是一個(gè)偶然出現(xiàn)的干擾尖脈沖（負(fù)脈沖）。這種干擾脈沖的周期是很短的，所以可以認(rèn)為保持邏輯0超過(guò)1/4個(gè)位時(shí)間的信號(hào)一定是起始位。圖13 UART接收器的接收狀態(tài)機(jī)注：狀態(tài)機(jī)一共有5個(gè)狀態(tài)：R_START（等待起始位）、R_CENTER（求中點(diǎn)）、R_WAIT（等待采樣）、R_SAMPLE（采樣）和R_STOP（停止位接收）。R_WAIT狀態(tài)：當(dāng)狀態(tài)機(jī)處于這一狀態(tài)，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)位的采樣檢測(cè)，同時(shí)也判斷是否采集的數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度已達(dá)到數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度，如果到來(lái)，就說(shuō)明停止位來(lái)臨了。在本設(shè)計(jì)中默認(rèn)為8，即對(duì)應(yīng)的UART工作在8位數(shù)據(jù)位、無(wú)校驗(yàn)位格式。R_SAMPLE狀態(tài)：即數(shù)據(jù)位采樣檢測(cè)，完成后無(wú)條件狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入R_WAIT狀態(tài)，等待下次數(shù)據(jù)位的到來(lái)。R_STOP狀態(tài)：，或是2位，狀態(tài)機(jī)在R_STOP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)，等待下一個(gè)幀的起始位。圖14 UART接收器的模塊圖UART接收器的仿真波形結(jié)果Bclkr：波特率時(shí)鐘信號(hào)周期Resetr：復(fù)位信號(hào)Rxdr:電平觸發(fā)信號(hào)，從邏輯1變?yōu)檫壿?R_ready:數(shù)據(jù)幀Rbuf：并行數(shù)據(jù)圖15 UART接收器的仿真波形UART發(fā)送器模塊: 發(fā)送器只要每隔16個(gè)bclk周期輸出一個(gè)數(shù)據(jù)即可，次序遵循第一位是起始位，第8位是停止位。在本設(shè)計(jì)中沒(méi)有校驗(yàn)位，但只要改變Generic參數(shù)Frameelen，也可以加入校驗(yàn)位，停止位是固定的1位格式[6]。圖4..。 此狀態(tài)機(jī)一共有5個(gè)狀態(tài)：X_IDLE(空閑)、X_START(起始位)、X_WAIT（移位等待）、X_SHIFT(移位)和X_STOP(停止位)。X_IDLE狀態(tài)：當(dāng)UART被復(fù)位信號(hào)RESETL復(fù)位后，狀態(tài)機(jī)將立刻進(jìn)入這一狀態(tài)。在這個(gè)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。這時(shí)由于XMIT_CMD是一個(gè)外加信號(hào)，在FPGA之外，不可能對(duì)XMIT_CMD的脈沖寬帶進(jìn)行限制，如果XMIT_CMD有效在UART發(fā)完一個(gè)數(shù)據(jù)幀依然有效，那么就會(huì)錯(cuò)誤地被認(rèn)為，一個(gè)新的數(shù)據(jù)發(fā)送命令又到來(lái)了，UART發(fā)送器就會(huì)再次啟動(dòng)UART幀的發(fā)送，顯然該幀的發(fā)送是錯(cuò)誤的。在此對(duì)XMIT_CMD進(jìn)行了脈沖寬度的限定，用XMIT_CMD_P代替XMIT_CMD信號(hào)，XMIT_CMD_P是一個(gè)短脈沖信號(hào)。當(dāng)XMIT_CMD_P=‘1’，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入X_START,準(zhǔn)備發(fā)送起始位。X_START 狀態(tài)：在這個(gè)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)轉(zhuǎn)入X_WAIT狀態(tài)。XCNT16是bclk的計(jì)數(shù)器。 X_WAIT 狀態(tài)：同UA