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1、基于FPGA的RS-232串口通信控制器设计摘要串口是可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。通过RS232以实现计算机之间、计算机与设备之间相互通信，目前仍是通讯领域广泛使用的方法之一。几乎每台计算机都有一两个串行接口，用来与调制解调器、实验室设备、工控设备、POS终端等进行数据传输。RS-232以其方便、经济的实现特点，一直深受工程界的青睐。不论是在电力、工控还是电信、金融交通等诸多行业都有广泛的应用。系统主芯片采用RS-232串口通信控制器，由基本时钟发生电路模块，复位电路模块，波特率选择模块，数据帧格式选择模块，串并转换模块组成。
2、经编译和仿真所设计的程序，在可编程逻辑器件上下载验证，结合FPGA技术高度灵活性与模块化的特点，实现基本RS-232总线通信的功能，以实现串口数据帧结构选择，串并转换，波特率选择等功能。通过软件仿真，得到功能的验证，并进行功能逻辑模块的整合，从而验证设计的可行性与可靠性。关键词： RS-232串口通信控制器；硬件描述语言； FPGA Abstractcommunications between equipment, is still widely used method of communication field. Almost every computer has a serial int
3、erface, used and modems, laboratory equipment, industrial equipment, POS terminals, etc for data transmission. With its rs-five 232 convenient, economical realization of engineering characteristics, has been deeply favored. Whether in electric power, telecommunications, financial traffic control or
4、many industries have widely application.The master chip adopt rs-five 232 serial communication controller, the basic clock circuit module, reset circuit happened module, baud rate, data frame format selection module choice module, and conversion module composition string. The compiler and simulation
5、 design program, in programmable logic devices on FPGA technology, combining download highly flexible and modular characteristics, basic RS - 232 fieldbus communication function, in order to realize the serial data frame structure, and the conversion of choice, baud rate etc. Function. Through the s
6、imulation test, the function and the integration of the logical module function, which verified the feasibility and reliability of the design. Keywords: RS - 232 serial communication controller, Hardware description language, The FPGA目录1 绪论11.1 选题背景11.1.1 课题相关技术的发展11.1.2 课题研究的必要性21.2 课题研究的容32 FPGA及R
7、S-232简介42.1 FPGA概述42.1.2 FPGA基本结构62.1.3 FPGA系统设计流程82.1.4 FPGA开发编程原理112.2 RS-232概述122.2.1 RS-232电气特性132.2.2 RS-232连接器的机械特性132.2.3 RS-232的接口信号143 RS-232串口通信控制器硬件设计方案183.1 锁相环设计183.2 模式选择模块设计193.3 接收模块设计193.4 发送模块设计214 RS-232控制器软件设计234.1 模式选择模块软件设计234.2 接收模块软件设计244.3 发送模块软件设计265 研究展望28实验结论29致30参考文献31附录
8、321 绪论现代社会的标志之一就是信息产品的广泛使用，而且是产品的性能越来越强，复杂程度越来越高，更新步伐越来越快。支撑信息电子产品高速发展的基础就是微电子制造工艺水平的提高和电子产品设计开发技术的发展。前者以微细加工技术为代表，而后者的代表就是电子设计自动化（electronic design automatic,EDA）技术。本设计采用的VHDL是一种全方位的硬件描述语言，具有极强的描述能力，能支持系统行为级、寄存器传输级和逻辑门级三个不同层次的设计；支持结构、数据流、行为三种描述形式的混合描述、覆盖面广、抽象能力强，因此在实际应用中越来越广泛。ASIC是专用的系统集成电路，是一种带有逻辑
9、处理的加速处理器。而FPGA是特殊的ASIC芯片，与其他的ASIC芯片相比，它具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检测等优点。在控制系统中，键盘是常用的人机交换接口，当所设置的功能键或数字键按下的时候，系统应该完成该键所设置的功能。因此，键信息输入是与软件结构密切相关的过程。根据键盘的结构不同，采用不同的编码方法。但无论有无编码以及采用什么样的编码，最后都要转换成为相应的键值，以实现按键功能程序的转移。1.1 选题背景本节将从FPGA嵌入式应用开发技术与数字钟技术发展的客观实际出发，通过对该技术发展状况的了解，以及课题本身的需要，指出研究基
10、于FPGA的芯片系统与设计数字钟的设计与实现的必要性。1.1.1 课题相关技术的发展当今电子产品正向功能多元化,体积最小化,功耗最低化的方向发展。它与传统的电子产品在设计上的显著区别师大量使用大规模可编程逻辑器件，使产品的性能提高，体积缩小，功耗降低.同时广泛运用现代计算机技术，提高产品的自动化程度和竞争力，缩短研发周期。EDA技术正是为了适应现代电子技术的要求，吸收众多学科最新科技成果而形成的一门新技术。美国ALTERA公司的可编程逻辑器件采用全新的结构和先进的技术，加上MaxplusII(或最新的QUARTUS)开发环境，更具有高性能，开发周期短等特点，十分方便进行电子产品的开发和设计。E
11、DA技术，技术以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用软件的方式设计的电子系统到硬件系统的逻辑编译，逻辑化简，逻辑分割，逻辑映射，编程下载等工作。最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新技术。本设计利用VHDL硬件描述语言结合可编程逻辑器件进行的，并通过数码管动态显示计时结果。数字钟可以由各种技术实现，如单片机等.利用可编程逻辑器件具有其他方式没有的特点，它具有易学，方便，新颖，有趣，直观，设计与实验项目成功率高，理论与实践结合紧密，体积小，容量大，I/O口丰富
12、，易编程和加密等特点，并且它还具有开放的界面，丰富的设计库，模块化的工具以及LPM定制等优良性能，应用非常方便。因此，本设计采用可编程逻辑器件实现。1.1.2 课题研究的必要性现在是一个知识爆炸的新时代。新产品、新技术层出不穷，电子技术的发展更是日新月异。可以毫不夸的说，电子技术的应用无处不在，电子技术正在不断地改变我们的生活，改变着我们的世界。在这快速发展的年代，速度，精准对人们来说是越来越宝贵，在快节奏的生活时， RS-232串口通信控制器给人们带来了极大的方便。近些年，随着科技的发展和社会的进步，人们对科技的要求也越来越高，传统的东西已不能满足人们的需求。1.2 课题研究的容本设计主要研
13、究基于FPGA的RS-232串口控制器，针对具体设计要求进行原理设计（可在一般电子线路CAD软件，如protel99se上完成），提供电子版电路原理图用Quartus软件进行时序仿真，验证设计性能的可行性与可靠性，并提供相应的仿真效果图采用VHDL语言设计相关的功能化模块，实现串口数据帧结构选择，串并转换，波特率选择等功能。通过具体操作，验证设计的稳定性与操作的灵活性。2 FPGA及RS-232简介2.1 FPGA概述FPGA（FieldProgrammable Gate Array），即现场可编程门阵列，是目前应用最广泛的现场可编程逻辑器件（FPLD）之一。FPGA是一类高集成度的可编程逻辑
14、器件，起源于美国的Xillnx公司，该公司于1985年推出了世界上第一块FPGA芯片。在这二十年的发展过程中，FPGA的硬件体系结构和软件开发工具都在不断的完善，日趋成熟。从最初的1200个可用门，90年代时几十万个可用门，发展到目前数百万门至上千万门的单片FPGA芯片，Xilinx、Altera等世界顶级厂商已经将FPGA器件的集成度提高到一个新的水平。FPGA结合了微电子技术、电路技术、EDA技术，使设计者可以集中精力进行所需逻辑功能的设计，缩短设计周期，提高设计质量。 FPGA的应用领域最初为通信领域，但目前，随着信息产业和微电子技术的发展，可编程逻辑嵌入式系统设计技术已经成为信息产业最
15、热门的技术之一，应用围遍及航空航天、医疗、通讯、网络通讯、安防、广播、汽车电子、工业、消费类市场、测量测试等多个热门领域。并随着工艺的进步和技术的发展，向更多、更广泛的应用领域扩展。越来越多的设计也开始以ASIC转向FPGA， FPGA正以各种电子产品的形式进入了我们日常生活的各个角落。目前以硬件描述语言（Verilog 或 VHDL）所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至 FPGA 上进行测试，是现代 IC 设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器（Flipflop）或者其他更加完整的记忆块。2.1.1 FPGA的发展历史 早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存储器（PROM）、紫外线可擦除只读存储器（EPROM）和电可擦除只读存储器（E2PROM）三种。由于结构的限制，它们只能完成简单的数字逻辑功能。其后出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件（PLD），它能够完成各种数字逻辑
