串口通信论文.doc
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1、基于VHDL语言的Intel8251可编程串行扩展接口芯片设计摘要随着集成电路技术的发展,电子设计自动化(EDA)逐渐成为重要的设计手段,已经广泛应用于模拟与数字电路系统等许多领域。电子设计自动化是一种实现电子系统或电子产品自动化设计的技术,它与电子技术,微电子技术的发展密切相关,它吸收了计算机科学领域的大多数最新研究成果,以高性能的计算机作为工作平台,促进了工程发展。EDA的一个重要特征就是使用硬件描述语言(HDL)来完成的设计文件,VHDL语言是经IEEE确认的标准硬件语言,在电子设计领域受到了广泛的接受。本文介绍了串行通信的基本理论;综述了EDA技术的发展概况,介绍了MAX+PLUSll
2、软件;熟悉Intel8251基本结构和工作原理;最后设计仿真了Intel8251的顶级功能模块和子功能模块.关键词:VHDL语言;MAX+PLUSll软件;串行收发器ABSTRACTWith the technical development of integrated circuit( IC), the electronics design automation(EDA) becomes the important design means gradually, and already extensively used in many fields such as simulation an
3、d digital electrocircuit system. The electronics design automation is a kind of technique that carries out the electronics system or the electronics products to automate the design. Closely related with the electronics technique and the technical development of micro-electronics, absorbed the latest
4、 result of the computer science researching, using the computer with the high capability, the electronics design automation promoted the engineering development. A significant characteristic of EDA is to complete the design files by the hardware description language ( HDL),VHDL is a standard hardwar
5、e language which is validated by the IEEE and is acceptable extensively in the field of the electronic design. This paper introduces the basic theory of serial communication ,generalizes developing history of EDA, some simulative software such as software of MAX+PLUSll, acquaint with the basic struc
6、tures and the work principles of 8251; At last, the design of the top-class function module and sub- function module of 8251 is passed in simulation.Keywords:Language of VHDL; MAX+PLUSll software; Serial Transceiver1 引言11 课题研究的背景在系统中嵌入式CPU 往往要通过各种串行数据总线与外界进行通信,在应用中,异步的串行数据通信用得较多,而通用异步收发器(UART Univer
7、sal Asynchronous Receiver/Transmitter )在其中扮演着重要角色,它可以完成数据的串并转换,即把并行数据按照通信波特率转化为通信协议中规定的串行数据流,也可从串行数据流中取出有用数据转变为并行数据。而UART 与CPU 接口简单,CPU只需通过执行读写操作即可完成收发数据,从而完成与外界的通信。有许多现成的芯片可以实现UART的功能:如常用的Intel8250/8251接口芯片就可以作为RS232、RS422串口的UART控制芯片。FPGA/CPDL是20世纪90年代发展起来的大规模可编程逻辑器件,随着EDA技术和微电子技术的进步,FPGA的时钟延迟可达到ns
8、级,结合其并行工作方式,在超高速、实时测控方面有非常广阔的应用前景;并且FPGA具有高集成度、高可靠性,几乎可以将整个设计系统下载于同一芯片中,实现所谓片上系统,从而大大缩小其体积,因此以FPAG/CLPD为代表的可编程逻辑器件受到了世界范围内广大电子设计工程师的普遍欢迎,应用日益广泛。在国外,FGPA的技术发展与应用己达到相当高的程度;在国内,FPAG技术发展十分迅速,然而与国外相比还存在较大的差距。12 课题研究的主要内容与意义本文的研究课题利用串行通讯相当成熟的技术,重点讨论如何用VHDL 编程实现UART,完成基于VHDL语言的可编程串行通信接口8251的设计。论文结构安排如下:第一章
9、:介绍了本文的研究背景、研究内容和意义;第二章:阐述数据通信原理,介绍串行通信;第三章:介绍EDA以及硬件描述语言VHDL、开发工具Maxplus II;第四章:介绍可编程串行通信接口Intel 8251及其VHDL实现,验证研究结果的正确性;第五章:关于本次设计的结论和展望。13 课题研究的意义用VHDL语言来实现8251的UART功能,可以将UART 功能集成到FPGA 中提高系统的集成度。同时VHDL 是一种标准的硬件描述语言,几乎所有的软件仿真编译工具都能支持,因此方便进行仿真修改和移植具有很高的工程实用价值。同时通过本研究可以加快电子设计者以及开发人员更好地学习和掌握FPAG技术,充
10、分体会FGPA所带来的设计理念和应用前景。2 数据通信原理2.1数据通信概述随着人类社会的不断进步、经济的迅猛发展以及计算机的广泛应用,人们对信息的需求越来越大,数据通信得到长足发展。通信的目的是双方信息的互知,是信息的远距离传送。随着社会的进步。传统的电话、电报通信方式已远远不能满足大信息量的需要。以数据作为信息载体的通信手段已成为人们的迫切要求。但“数据”还没有统一严格的定义,一般可以这样认为:数据是预先约定的具有某种含义的数字、字母或符号的组合。计算机出现以后,为了实现远距离的资源共享,很快计算机就与通信技术相结合,产生了数据通信。所以说数据通信是为了实现计算机与计算机或终端与计算机之间
11、信息交互而产生的一种通信技术,是计算机与通信相结合的产物。综上所述,可对数据通信作如下定义:依照通信协议,利用数据传输技术在两个功能单元之间传递数据信息。它可实现计算机与计算机、计算机与终端或终端与终端之间的数据信息传递。2.2数据传输方式数据传输方式指的是通过某种方式建立一个数据传输通道将数据信号在其中传输,它是数据通信的基础。数据的传输方式分为并行传输和串行传输,在串行传输中又分为异步传输和同步传输。按照电路的传输能力,可以分为单工、半双工、全双工传输。2.2.1 并行传输与串行传输并行传输指的是数据以成组的方式,在多条并行信道上同时进行传输。常用的是将构成一个字符的几位二进制码同时分别在
12、几个并行的信道上传输。另外加一条控制信号即“选通”脉冲,它在数据信号发出之后传送,用以通知接收设备所有的位己经发送完毕,可以对各条信道上的信号进行采样了。收、发双方不存在字符同步的问题,不需要额外的措施来实现收发双方的字符同步,这是并行传输的主要优点。但是并行传输必须有多条并行信道,成本比较高,不适宜远距离传输,因此一般较少使用。串行传输指的是组成字符的若干位二进制码排列成数据流以串行的方式在一条信道上传输。通常传输顺序为由低位到高位,传完这个字符再传下一个字符。因此收、发双方必须保持字符同步,以使接收方能够从接收的数据比特流中正确区分出与发送方相同的一个一个的字符。这是串行传输必须解决的问题
13、。串行传输只需要一条传输信道,易于实现,是目前主要采用的一种传输方式。2.2.2 异步传输与同步传输在串行传输中,如何解决字符的同步问题,目前主要存在两种方式:即异步传输和同步传输。异步传输方式的优点是实现字符同步比较简单,收发双方的时钟信号不需要严格同步。缺点是对每个字符都需加入起始位和终止位,因而传输效率低。同步传输是以固定的时钟节拍来发送数据信号的,因此在一个串行数据流中,各信号码元之间的相对位置是固定的(即同步)。接收方为了从接收到的数据流中正确地区分一个个信号码元,必须建立准确的时钟信号。与异步传输方式相比,由于它发送每一字符时不需要单独加起始位和终止位,故具有较高的传输效率,但实现
14、起来比较复杂。有关异步传输和同步传输的数据格式将在2.3中介绍。2.2.3 单工、半双工、全双工传输数据传输是有方向性的,根据数据电路的传输能力,可以有三种不同的传输方式或通信方式。(1)单工传输:传输系统的两端数据只能沿单一方向发送和接收,这种方式传输系统的一端固定为发送端,另一端固定为接收端。反向信道的速率一般较低,为5-75bi/ts。实际应用中可以使用反向信道,也可以不用。气象数据的收集、计算机与监视器及硬盘与计算机的数据传输就是单工传输的例子。(2)半双工传输:系统两端可以在两个方向上进行数据传输,但两个方向的传输不能同时进行,当其中一端发送时,另一端只能接收,反之亦然。无论哪一方开
15、始传输,都使用信道的整个带宽。对讲机和民用无线电都是半双工传输。(3)全双工传输:系统两端可以在两个方向上同时进行数据传输,即两端都可同时发送和接收数据。 综上所述,异步串行全双工的数据传输方式是较为容易实现的方式,应用较为广泛。2.3串行通信协议数据通信是在各种类型的用户终端和计算机之间以及同一型号的计算机之间进行的。它不同于电话通信方式,其通信控制也复杂得多,因此必须有一系列行之有效的、共同遵守的通信协议。所谓通信协议是指通信双方的一种约定,约定包括对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定,通信双方必须共同遵守。因此,也叫做通信控制规程,或称传
16、输控制规程,它属于国际标准化组织ISO(International Standards Organization)的开放系统互连OSI(Open System Interconnection)七层参考模型中的数据链路层口。2.3.1串行通信接口标准串行通信接口按电气标准及协议来划分包括Rs-232、Rs-422、Rs485、LVDS等。RS-232、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定,不涉及接插件、电缆或协议。LVDS是近几年发展起来的新型接口标准,主要应用于高速数据传输领域。(l)RS-232串行接口1969年,美国电子工业协会(EIA)公布了RS-232作为串行通信接
17、口的电气标准,该标准定义了数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)间按位串行传输的接口信息,合理安排了接口的电气信号和机械要求。目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的标准,它采取不平衡传输方式,即所谓单端通信。典型的RS-232信号在正负电平之间摆动,在发送数据时,发送端驱动器输出正电平在+5到+l5V,负电平在-5到-15v电平。当无数据传输时,线上为TTL电平,从开始传送数据到结束,线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。接收器典型的工作电平在+3到+l2v与-3到-12v。Rs-232是
18、为点对点(即只用一对收、发设备)通信而设计的,其驱动器负载为3到7k。由于RS-232发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右,所以其共模抑制能力差,再加上双绞线上的分布电容,其传送距离最大为约30米,最高速率为20kb/s。所以RS-232适合本地设备之间的通信。(2)RS-422串行接口RS-422-B全名为“平衡电压数字接口电路的电气特性” (Electrical Characteristics of Balanced Voltage Digital Interface Circuits),它是美国电子工业协会EIA(Electronic Industry Association)制定的
19、一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写,422为标识号,B表示修改次数。RS-422由RS-232发展而来,它是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范。为改进RS-232通信距离短、速度低的缺点,RS-422定义了一种平衡通信接口,将传输速率提高到10Mbit/s,并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。RS-422采用平衡驱动,差分接收电路,即在发送端,驱动器将TTL电平信号转换成差分信号输出;在接收端,接收器将差分信号变成CMOS/TTL电平。从根本上取消了信号地接法,大大减少了地电平所带来的共模干扰。平衡驱动器相当于两个单端驱动器,其输入信号相同,两个输出信号互为反相
20、信号。外部输入的干扰信号是以共模方式出现的,两根传输线上的共模干扰信号相同,因接收器是差分输入,共模信号可以相互抵消,从而大大提高了抗共模干扰的能力,并能在较长距离内明显提高传输速率。RS-422的数据信号采用差分传输方式,也称作平衡传输。它使用一对双绞线,将其中一线定义为A,另一线定义为B。通常情况下,发送驱动器之间的差分电压正电平在+2V - +6V,是一个逻辑状态,负电平在-2V - 6V之间,是另一个逻辑状态。另有一个信号地C。在RS一485中还有一“使能”端,“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时,发送驱动器处于高阻状态,称作“第三态”,即它是有别于
21、逻辑“1”与“0”的第三态。接口信号电平比RS-232-C降低了,就不易损坏接口电路的芯片,且该电平与TTL电平兼容,可方便与TTL电路连接。接收器作与发送端相对的规定,收、发端通过平衡双绞线将AA与BB对应相连,当在接收端AB之间有大于+200mV的电平时,输出正逻辑电平,小于-200mV时,输出负逻辑电平。定义A端B端与地之间电压的平均值为共模电压,RS-422接收器可以承受-7V,+7V的共模电压。接收器符号见图2.1。ABDOUT图2.1 平衡差分输入线接收器由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS-232更强的驱动能力,故RS-422允许在相同传输线上连接多个接收节点,最多可接10
22、个节点。即一个主设备(Master),其余为从设备(Slave),从设备之间不能通信,所以RS-422支持点对多的双向通信。RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道,因此不必控制数据方向,各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式(XON汉OFF握手)或硬件方式(一对单独的双绞线)实现。RS-422的最大传输距离为4000英尺(约1200米),最大传输速率为10Mb/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比在100kb/s速率以下刁一可能达到最大传输距离。(3)RS-485串行接口为扩展应用范围,EIA在RS-422的基础上制定了RS-485标准,增加了多点、双向通信能力,通常在要求通
23、信距离为几十米至上千米时,广泛采用RS-485收发器。RS-485许多电气规定与RS-422相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终端电阻等。RS-485可以采用二线与四线方式,二线制可实现真正的多点双向通信。而采用四线连接时,与RS-422一样只能实现点对多的通信,即只能有一个主(Master)设备,其余为从设备,但它比RS一422有改进,无论四线还是二线连接方式总线上可连接多达32个设备,SIPEX公司新推出的SP485R最多可支持400个节点。RS-485与RS-422的共模输出电压是不同的。RS-485共模输出电压在-7V至+l2V之间,RS-422在-7V至+7V之间,RS-
24、485接收器最小输入阻抗为12k;RS-422是4k;RS-485满足所有RS-422的规范,所以RS-485的驱动器可以用在RS-422网络中应用。但RS-422的驱动器并不完全适用于RS-485网络。为方便起见将上述几种主流通信接口的电气特性比较列表如表2.1:表2.1 RS-232RS-422RS-485电气特性比较规定RS-232RS-422RS-485工作方式单端差分差分节点数1收1发10收1发32收1发最大传输速率20Kbs10Mbs10Mbs最大驱动电压+-25V-0.25V-+6V-7V-+12V接收器输入电压范围+-15V-10V-+10V-7V-+12V接收器输入门限+-3
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