FPGA与单片机实现串行通信.doc

题目名称：FPGA与单片机实现串行通信  目录 1设计任务及内容 1 2设计方案 1 3系统硬件设计 1 3.1单片机串行通信设计 2 3.2 FPGA串行通信 3 4系统软件设计 5 4.1 FPGA单元设计……………………………………………………………………………6 5.系统调试 10 6课程设计总结 10 附录： 11 1设计任务及内容 要求实现FPGA与单片的串行通信,熟悉单片机和VHDL语言的编写，在设计过程中对单片机与FPGA有进一步理解，能够实现串行通信。 2设计方案 整个设计采用模块化的设计思想，可分为四个模块：FPGA数据发送模块，FPGA波特率发生控制模块，FPGA总体接口模块以及单片机数据接收模块。在通信过程中完全遵守RS232协议，并利用VHDL语言实现 FPGA与单片机的串口异步通信电路。本设计采用ll位帧格式异步通信方式，一位起始位、一位停止位、一位奇偶校验位、8位数据位，基于有限状态机原理进行FPGA设计。设计方案框图如下： FPGA 3系统硬件设计 3.1单片机串行通信设计 单片机与FPGA串行通信可采用单片机的SPI(串行外设接口)方式。相对于UART，SPI更简单，速度更快。SPI共四条线。MOSI(Master Out Slave In)．MISO，SCK(Serial Clock)，SS(Slave Select)。图1为SPI T作时序。当单片机向FPGA传输命令或数据时，应用SPI的四种模式中的SPIO模式。当片选SS拉低。然后在每个时钟(SCK)上升沿送出数据。将片选信号SS与移位寄存器使能端(En)相接，MOSI与移位寄存器数据输入端(SI)相接，SCK同时为移位寄存器提供时钟信号。在SS信号为低电平时，移位寄存器开始工作，在每个时钟上升沿将接收到的数据左移一位，等全部接受完毕，将SS置一l”，移位寄存器工作完毕，同时为触发器提供时钟，使移位寄存器接收到的数据并行输出。 当单片机从FPGA读取数据时，向FPGA发送读使能信号RE(可用任意空闲I／0口)。在每个时钟(SCK)上升沿．FPGA送出一位串行数据，单片机通过MISO读取数据。借助VHDL硬件描述语言和EDA开发工具可方便的实现该系统。如下图所示： 图一：单片机电路 3.2 FPGA串行通信 由于FPGA具有丰富的引脚资源，且EP1C3T100C8N的核电压是3．3 V，STC89LE52的输出电压也是3．3 V，所以任选3064A四个I／O与单片机4个I／O口连接即可，若连接在单片机的Po口时需要加上拉电阻。在这里将SS(CS)、SCK、SDI、SDO分别如图所示连接。 图二：FPGA电路 4系统软件设计 4.1 FPGA单元设计FPGA的计是通信网络的核心部分。依据功能要求，FPGA内部划分成四大功能模块：SRAM控制器、发送数据缓冲模块、16个UART模块、接收数据缓冲模块。发送数据缓冲模块划分成16个RAM区，每个RAM区分别连接1个UART，当发送缓冲模块接收到主单片机下发的控制数据后，启动UART将数据发送至从单片机。接收缓冲区同样分为16个RAM区，发送控制数据后，UART周期性地向从单片机发送状态查询命令，从单片机将必威体育精装版状态发送至UART模块，UART模块将数据存入接收缓冲模块相应的RAM区。如图3所示。　　FPGA内部共有16对读／写和数据总线，分别连接UART和相应的发送缓冲区RAM及接收缓冲区 RAM。FPGA内部模块采用图3 FPGA内部功能模块示意图自顶向下的设计方法，将复杂系统划分为简单系统，然后通过逻辑和接口设计实现各个模块功能。SRAM控制器用于FPGA和 C8051F020的接口，负责内部RAM的读写控制。UART负责接收从单片机上传的串行信号，将其并行化后存入接收数据缓冲RAM；另外也负责将发送缓冲RAM中的数据转换成符合RS232协议规范的串行信号发送给从单片机。　　FPGA内部系统采用同步有限状态机(FSM)的设计方法实现，FSM负责调配各功能模块之间的协作。状态机采用独热(one—hot)编码，使电路的可靠性和速度有显著的提高。系统状态转移图如图4所示。　 主单片机和上位机的通信速率及FPGA和从单片机的通信速率均设置为38．4 Kbps，可以更精确的控制主单片机与各个从单片机之间的通信时间。通信指令由报头、设备类型、设备号、命令号、命令数据、校验等字段组成。报头用于通知单片机开始串行通信。设备类型和设备号用于将指令正确传达到相应的设备，命令号用于通知单片机指令，命令数据用于通知单片机具体的功能，校验则采用CRC校验以保证通信的准确性。写入控制命令号为OOH，读取命令号为01H，读取指令命令数据为0字节。通信指令的帧格式如下：　　单片机接