1、UART 数据通信摘要：UART 协议是数据通信及控制系统中广泛使用的一种全双工串行数据传输协议，在实际工业生产中有时并不使用 UART 的全部功能，只需将其核心功能集成即可。波特率发生器、接收器和发送器是 UART 的三个核心功能模块 ，本课程设计分成三部分，本人负责 UART 接受模块的设计和仿真，其余部分由另两位同学完成。本文使用 Verilog 语言对发送功能模块进行描述并加以整合，并利用 Xilinx ISE 软件进行仿真，其结果完全符合 UART 协议的要求。1. UART 数据通信协议的介绍UART(即 Universal Asynchronous Receiver Transm
2、itter 通用异步收发器)是广泛使用的串行数据传输协议。UART 允许在串行链路上进行全双工的通信。UART 通信接口简单，只需要两根线( 本文只讨论两根线的情况，不涉及状态控制等信号) : tx 是 UART 数据发送信号， rx 是 UART 数据接收信号。由于没有时钟信号作为采样信号，因此在 UART 的串行数据中需要增加一些额外的信息，这些信息连同数据组成 UART 的数据帧格式。UART 的数据帧格式是：起始位 (值为 0) 、数据位( 可根据需要设置成 6 ， ， 9 或其他位数，数据位是低位在先、高位在后) 、奇偶校验位（可根据需要设置成奇校验、偶校验或无校验，本章介绍的是无校
3、验）、停止位（停止位可有 1 ， 2 位）0。UART 的具体数据帧格式如下图所示。UART 数据帧格式起始位的意义是提醒接收方数据即将到来，请做好接收数据的准备。数据位是接收方需要接收的数据信息。奇偶校验位的意义是给接收方提供一种校验数据正确与否的方法和信息。这需要双方事先约定好是奇校验还是偶校验或者无校验。停止位是提醒接收方数据已发送完毕，如果接收方按照 UART 协议没有正常接收到停止位，则说明该帧数据不完整，可以判定数据无效。2. UART 数据发送模块建模根据 UART 数据通信协议， UART 数据发送模块还是比较简单的。实现过程描述如下：在空闲状态接收发送数据的指令后，在装载数据
4、的同时，在数据的低位加上 1 位的开始位 0 ，在数据的高位加上 1 位的停止位 1 ，接着在时钟的节拍下把这 10 位数据从低位到高位发送出去，最后恢复 UART 数据发送模块为空闲状态。根据以上描述设计流程图，如下图所示。UART 数据发送流程图3. UART 数据接受模块UART 数据接收模块相对 UART 数据发送模块来说更复杂些。下面简单的介绍一下UART 数据接收的时序分析。因为 UART 是异步通信，在数据采样上没有同步时钟作为参考点。结合 UART 数据通信协议，UART 首先需要捕获数据线上的起始信号，在起始位后连续接收 8 位数据，最后判断停止位是否有效，如果有效则表示一帧
5、 UART 数据完整接收，否则表示 UART 数据帧出错（这里不考虑奇偶校验位）。由于没有传送时钟信号，所以接收方需要知道发送方发出数据的波特率。虽然知道了发送方的波特率，但由于接收方与发送方可能是两个不同的时钟源，所以时钟频率存在偏差。为了解决不同时钟的偏差，UART 在接收方对采样时钟做出规定，即采样时钟是数据波特率的 16 倍。上面讲到接收方接收一个数据需要采样 16 次，这 16 次是这样分配的：当捕获到数据线上的下降沿时开始计数，计数到第 8 个采样周期时的采样数据作为接收到的数据。当计数到第 16 个采样周期时，计数器归零重新计数。每计数到 8 时进行数据采样。这样，只要发送方与接
6、收方的时钟信号的频率不超过 1 / 16 ，就可以正确采样数据了。4. UART 分频器假设数据的波特率为 p，则所需时钟的频率为 16*p。以波特率 p 为 9600 为例，系统时钟为 50MHz，则分频系数为 50000000/(16*9600) = 325.52，取整为 326。分频器 Verilog HDL 语言代码如下：module clkdiv(clk, clkout);input clk; /系统时钟output clkout; /采样时钟输出reg clkout;reg 15:0 cnt;always (posedge clk) /分频进程beginif(cnt = 16d16
7、2)beginclkout = 1b1;cnt = cnt + 16d1;endelse if(cnt = 16d325)beginclkout = 1b0;cnt = 16d0;endelsebegincnt = cnt + 16d1;endendEndmodule5. UART 数据发送模块仿真下面使用 Xilinx ISE Design Suite 12.4 对 UART 数据发送模块进行仿真对工程文件进行“Simulate Behavioral Model”得到波形仿真图。0-10ns，模块复位信号 r_rst_n，低电平有效（r_rst_n 值为 0）。(1) 波形仿真图时序分析1
8、0-443ns，数据接收信号 w_uart_tx 值为 1，此时一直空闲，未发送数据。2 在 443ns 时刻，收到 UART 数据的发送指令（r_tx_order 值为 1），开始启动 UART 数据发送流程：首先是发送起始位 0，接着开始发送 8 位数据，最后发送停止位 1，然后又回到空闲状态。其中每一位需 32ns。3 在 443ns475ns 之间发送起始位 0；4 在 475ns731ns 之间发送 8 个数据位，需发送的数据 r_tx_data=0010 0100，发送时，先发送低位再发送高位，发送数据的值从左到右依次是： 0010 0100 5 在 731ns763ns 之间发送
9、停止位 1；6 因此在 443ns763ns 之间，w_uart_tx 的值从左到右依次是：0 0010 0100 1 ；至此，一帧 UART 数据发送完毕。UART 数据发送忙信号 w_uart_tx_buys 恢复为低。同理，当发送数据 r_tx_data=0000 1001 时，此时 w_uart_tx 的值从左到右依次是：0 1001 0000 1 。设计和仿真时碰到的问题主要有:(2) 主要问题及措施问题 1：在仿真过程中经常遇到一些寄存器没有被初始化，导致仿真结果不正确，这是因为 if语句嵌套太复杂或循环语句使用不恰当使得寄存器初始化语句未能执行。 措施：尽量减少 if 语句的嵌套
10、层数，这样可以减少阅读程序的复杂度和程序调试的复杂度，能够更容易发现错误以便及时寻找到解决方案。 问题 2:在程序中使用 initial 过程块进行寄存器的初始化，会使源程序在下载到目标板的整合过程时不能通过。 措施：可以外接一个输入信号进行各寄存器的初始化，这样做既可以使源程序顺利下载到目标板中，又可以从通讯模块的外部对通讯模块进行控制。 问题 3:在程序中如果在两个 always 过程块中对同一个变量进行赋值，程序将不能下载到目标板中，因为当两个 always 过程块中的敏感事件列表中的事件同时满足时，就会引发在两个always 语句中对相同变量同时赋值而导致冲突。 措施：合并 always 语句块，即把引发同一变量改变的过程敏感事件用 or 连接起来放在一个always 语句块中。6. 结束语Verilog HDL 是一种硬件描述语言，用于从算法 级、门级到开关级的多种抽象设计层次的数字系统建 模，该语言最大的特点是简洁、灵活、高效，其风格类似 C 语言，容易学习和掌握，且对数字逻辑具有较强的描述性。本文介绍了基于 Verilog HDL 设计的 UART 发送模块，并通过在 Xilinx ISE 软件进行仿真，从而实现 UART 发送的功能。
