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用FPGA 实现异步串口与同步串口的转换 李文亮，姚冬苹 北京交通大学现代通信研究所，北京（100044 ） E-mail：li.wenliang4@ 摘 要：TI 公司的TMS320C64xx 系列DSP 芯片的McBSP 同步串口不具备与UART 异步 串口直接通信的能力，为了解决这个问题，扩展DSP 芯片的使用范围，本文介绍了一种新 的用FPGA 来实现McBSP 同步串口与UART 异步串口之间相互转换的方法，通过必要的硬 件连接和VHDL 软件编程，实现了两种串口的转换，经测试，数据传输正确可靠。 关键词：串口通信；McBSP；UART ；SPI；FPGA；DSP 中图分类号：TP212 1. 引 言 DSP 芯片在现代数字信号处理中，应用特别广泛，尤其是 TI 公司的 TMS320 系列的 DSP 芯片。在实际的应用中，常常需要 DSP 芯片与 PC 机或者其他采用 UART 异步串口的系统 之间进行数据交换。本文采用 FPGA ，通过必要的软硬件设计解决同步串口与异步串口之间 的数据通信问题。 2. DSP 的异步串口扩展方案 目前使用较多的方式有以下几种。 （1） 在 DSP 的并行总线上扩展专用的 UART 芯片（例如 TI 的 TL16C552 ），用硬件来实 现异步串口扩展。这种方法软件设计简单，但占用了 DSP 的并行总线，使系统设计复杂化， 不利于系统整体设计。 （2 ） 利用 DSP 的 McBSP 和 DMA （或者EDMA ），在不扩展硬件的基础上，通过软件设 计的方式实现异步串口。这种方法虽然不增加硬件，但是软件复杂，增加了 CPU 的负荷。 （3 ） 利用 DSP 的 McBSP 同步串行接口与MAX3111 异步串行收发器，实现异步扩展，这 种方式的硬件和软件设计都比较简单方便，唯一缺点是使成本较高。 （4 ） 利用 DSP 的McBSP 同步串行接口，通过使用FPGA 现场可编程逻辑器件，将同步串 口转换为异步串口，这种方式方便灵活，适应性强。 本文采用第四种方案，使用 ALTERA 公司的 cyclone 芯片和 MAXIM 公司的 MAX3232 电平转换芯片，通过VHDL 语言编程，实现 DSP 芯片和 PC 机之间的串口通信。DSP 芯片 的McBSP 配置为 SPI 从设备模式。 3. 串口标准介绍 3.1 UART 异步串口协议 我们常用的异步串口时序如图 1 所示，由 1 位起始位，8 位数据位和 1 位停止位构成 1 个帧结构单元。 图 1 UART 时序图 - 1 - 3.2 UART 异步串口协议 McBSP 是在标准串口的基础上扩展的，具备高速，全双工，多通道的特点，并且可以 灵活的配置为 SPI，IOM-2 、AC97 等工业标准接口[1]，本文将其配置为 SPI 从设备模式。DSP 作为 SPI 从设备时，帧信号 FSR 和时钟信号 CLK 作为输入。SPI 模式的时序如图 2 所示。 图2 SPI 时序 4. 实现方法 本例中，UART 异步串口格式为 1 位起始位，8 位数据位，无奇偶校验位，1 位停止位， 波特率选为 115.2kbps，FPGA 的输入时钟为 16.384MHz。SPI 同步串口格式为帧信号高电平 有效，时钟上升沿时接收或发送数据，数据长度为 32 位。 通过观察图 1 和图 2 我们注意到，UART 的数据线上是低位（LSB ）在前，而 SPI 模式 下数据线上高位（MSB ）在前，在目前已有的很多串口转换的文献中都很少提到， TMS320C64xx 系列 DSP 虽然可以通过设置选择数据线 LSB 在前还是 MSB 在前，但是只能 在数据为 32 位时才可以，而且在实际的应用中，DSP 中数据长度多数情况下为 32 位，因 此