EDA：基于VHDL的串口設(shè)計(jì)

1、EDA課程設(shè)計(jì)題目：基于VHDL的串口設(shè)計(jì)院系:機(jī)電學(xué)院班級(jí)：電氣103姓名：張明軍學(xué)號(hào)：20100744113日期：2012.12.102012.12.1714目錄1、任務(wù)要求1、1課題要求1、2設(shè)計(jì)目標(biāo)2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)2、1層次模塊劃分2、2分頻模塊的設(shè)計(jì)2、3發(fā)送電路的波特率發(fā)生器的設(shè)計(jì)2、4接受模塊的設(shè)計(jì)2、5接收電路的波特率發(fā)生器和采樣時(shí)鐘的設(shè)計(jì)3、VHDL的描述思路4、總體電路的描述5、系統(tǒng)仿真驗(yàn)證5、1發(fā)送電路的波特率發(fā)生器的VHDL的仿真5、2發(fā)送模塊VHDL的仿真5、3特率發(fā)生器和采樣時(shí)鐘的設(shè)計(jì)的VHDL仿真5、4接受模塊的描述的VHDL仿真5、5綜合仿真6、結(jié)果與分析6.1實(shí)現(xiàn)

2、功能說明6.2器件資源分析6.3故障和問題分析7、總結(jié)體會(huì)8、參考文獻(xiàn)9、附錄以上模塊分別生成符號(hào)文件，最后在頂層模塊中進(jìn)行連接。2、2分頻模塊的設(shè)計(jì)由于UART是異步傳輸，沒有傳輸同步時(shí)鐘。為了能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，UART采用26倍數(shù)據(jù)波特率 的時(shí)鐘進(jìn)行采樣。每個(gè)數(shù)據(jù)有16個(gè)時(shí)鐘采樣，取中間的采樣值，以保證采樣不會(huì)滑碼或誤碼。一般UART-幀 的數(shù)據(jù)位數(shù)為8,這樣即使每個(gè)數(shù)據(jù)有一個(gè)時(shí)鐘的誤差，接收端也能正確地采樣到數(shù)拯。這里采用常用的數(shù)據(jù)波特率為9600bps,則所需時(shí)鐘的頻率為16*9600.系統(tǒng)時(shí)鐘為50MHz,則分頻系數(shù)為 50000000/（16*9600） =325.52,取整

3、為 325。分頻器實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡單，這里對(duì)其設(shè)計(jì)流程圖不做詳細(xì)介紹。只是將設(shè)計(jì)過程和結(jié)果簡述如下：首先用VHDL語言進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入，并生成模塊文件如圖2-1所示，其中elk為50M系統(tǒng)時(shí)鐘輸入，clkout為 325分頻后時(shí)鐘輸岀。 elk divi inst4-圖2-1分頻模塊然后建立波形文件，對(duì)以上模塊進(jìn)行時(shí)序仿真，仿真結(jié)果如圖22所示，方正結(jié)果說明，分頻輸出實(shí)現(xiàn) 了對(duì)輸入的325分頻，分頻模塊設(shè)訃正確。NameValue at9.83 ns110elkA 1 utA 09.825 nsJ515.3,520呷 us 25.2 孔平圖2-2分頻模塊仿真結(jié)果2、3發(fā)送電路的波特率發(fā)生器的設(shè)計(jì)要產(chǎn)生4

4、800波特率，要有一個(gè)不低于4800Hz的時(shí)鐘才可以。為產(chǎn)生高精度的時(shí)鐘，我選了16KHz的晶振來提供外部時(shí)鐘。當(dāng)然，你也可以選其它頻率的時(shí)鐘來產(chǎn)生4800Hz的時(shí)鐘。對(duì)于16KHz時(shí)鐘，需要 設(shè)計(jì)一個(gè)13進(jìn)制的分頻器來產(chǎn)生4800波特率的時(shí)鐘信號(hào)。發(fā)送過程：空閑狀態(tài)，線路處于高電平；當(dāng)受到發(fā)送數(shù)據(jù)指令后，拉低線路一個(gè)數(shù)據(jù)位的時(shí)間T,接著 數(shù)據(jù)按地位到高位依次發(fā)送，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，接著發(fā)送停止位（停止位為高電平），一幀數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)朿。（1）模塊流程圖根據(jù)以上發(fā)送過程，發(fā)送模塊算法示意圖設(shè)計(jì)如圖2-3所示。發(fā)送數(shù)圖23 UART發(fā)送數(shù)據(jù)算法示意圖（2）生成模塊文件新建一原理圖文件，將VHDL源文件

5、生成對(duì)應(yīng)的模塊文件如圖2-4所示，其中elk為時(shí)鐘輸入，datain為需 要發(fā)送的數(shù)據(jù)輸入，wrsig為發(fā)送命令輸入idle為忙閑信號(hào)輸岀，tx為串行數(shù)據(jù)輸岀端。=uarttxX1J1? elkiidle r5-? datairi7 0tx r 評(píng) wrsig5-iV? inst49圖24 UART發(fā)送模塊圖25 UART發(fā)送模塊仿貞原理圖2、4接受模塊的設(shè)計(jì)根據(jù)采用的幀格式，需要發(fā)送的數(shù)據(jù)為10位（1位開始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位），在發(fā)送完這10位后，就應(yīng) 該停止發(fā)送，并使發(fā)送端電平處于邏輯1,然后等候下次的發(fā)送.接收電路比發(fā)送電路要復(fù)雜的多，接收電路要時(shí)實(shí)檢測起始位的到來,一旦檢測到起

6、始位到，就要將這一幀數(shù) 據(jù)接收下來。串行接收電路首先要能判斷接收數(shù)據(jù)的到來，即每一幀的開始，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行3次采樣，最后判決輸岀。為簡 化設(shè)計(jì)，幀格式仍然采用：1位開始位+8位數(shù)據(jù)位+1位停止位。UART接收模塊的功能：時(shí)時(shí)檢測線路，當(dāng)線路產(chǎn)生下降沿時(shí)，即認(rèn)為線路有數(shù)據(jù)傳輸，啟動(dòng)接收數(shù)據(jù) 進(jìn)程進(jìn)行接收，按從低位到高位接收數(shù)據(jù)。（1）模塊流程圖根據(jù)以上描述的接收模塊的功能，可將接收模塊算法示意圖設(shè)汁如圖2-6所示。開接收數(shù)14圖26接收模塊算法示意圖（2）生成模塊文件新建一原理圖文件，將VHDL源文件生成對(duì)應(yīng)的模塊文件如圖4.10所示，其中elk為時(shí)鐘輸入，rx為需要串行數(shù)據(jù)輸入，dataout

7、為并行輸岀,uartrxelk dataout7.Orxrdsigrdsig為忙閑信號(hào)輸岀。inst4圖2-7 UART接收模塊（3）波形仿真新建一個(gè)原理圖文件，加入各功能模塊，并添加輸入輸出端口，各個(gè)模塊的連接如圖2-8所示。c: ckotr；testuart1ickdotaout(7.0svrsigiiii instickIdfesainp .ujIXwrsiginot2UCfttXck data:UF 0 rvrdsigh3vozrlnip圖2-8 UART接收模塊仿貞原理圖保存原理圖為uartrxts.bdf.編譯工程文件，編譯無誤后新建波形仿真文件，加入輸入輸出信號(hào)，設(shè)置系 統(tǒng)時(shí)鐘e

8、lk為50MHz，保存為uartrxts.vwf,進(jìn)行UART數(shù)據(jù)接收的波形仿真，波形仿真報(bào)告如圖29所示13.125 n$ | Pointer:865.55 us Interval:865.64 u$ Start:End:A 更 色、NameValue13.13聆0elkX電妙1clkou tI參2S dataoutA i參11匡|utrxA i0 20idleX iT21rdsigX i Master Time Bar:1 3屮 ms3 93? ms13. 125 ns 2.6*1 msio】 yTrirTnrzmorun7rymcwYiJIJI圖29 UART接收模塊仿真結(jié)果對(duì)上圖分析看

9、出，UART接收模塊接收到的數(shù)據(jù)與UART發(fā)送模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)相一至，每接收到一個(gè)數(shù)拯 都有一個(gè)讀取數(shù)據(jù)指示rdisg. UART接收模塊得到正確驗(yàn)證2、5接收電路的波特率發(fā)生器和采樣時(shí)鐘的設(shè)汁為提髙接收的準(zhǔn)確性，減少誤碼率，每一位數(shù)據(jù)都用3倍頻的波特率對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，然后對(duì)3次采樣結(jié)果進(jìn) 行判決:如果3次采樣中至少有2次為高電平,則接收這一位數(shù)據(jù)被判決為髙電平，否者，為低電平。為完成3次采樣，除了頻率為9600Hz的接收時(shí)鐘外，還要有一個(gè)3倍頻的采樣時(shí)鐘3 VHDL描述思路第二部分“系統(tǒng)設(shè)計(jì)”中對(duì)系統(tǒng)的功能和邏輯結(jié)構(gòu)、以及模塊劃分都有了詳細(xì)的敘述，模塊間的耦合和信號(hào) 的傳遞關(guān)系已經(jīng)淸晰。可以使

10、用VHDL語言描述硬件電路了。發(fā)送模塊和接收模塊的VHDL語言描述按照事先的設(shè)汁進(jìn)行編寫可以使電路思想明晰化，避免編程過程中用 軟件的思維去描述硬件的電路系統(tǒng)，也可有效避免錯(cuò)誤。由于進(jìn)行了細(xì)致的模塊劃分，模塊的間的耦合程度降到了很低，這就使得電路設(shè)計(jì)的可靠性大為增強(qiáng)，只要 模塊的輸出滿足了功能左義，整個(gè)系統(tǒng)就能正常工作，即便個(gè)別模塊岀現(xiàn)問題，也不會(huì)過多影響到英他模塊。實(shí) 際測試過程中也印證了這一點(diǎn)。4總體電路的描述頂層符號(hào)文件描述如下：CLK.DIV5系統(tǒng)仿真驗(yàn)證系統(tǒng)仿真分為兩個(gè)步驟進(jìn)行，首先是關(guān)鍵模塊的仿真，驗(yàn)證子系統(tǒng)功能的正確性，然后是綜合仿真，驗(yàn)證整 個(gè)系統(tǒng)的功能。5. 1發(fā)送電路的波特

11、率發(fā)生器的VHDL的仿真IAX-tplus II - h:ppccclk_div - clk.div. scf - favefori EditorII File Edit Vie Bids Assi IJtilitKS Options Jiadw HelI Time |0.DnsIrtercal: -Efl.OnsName:序-elka elk dh135O.OnsValue:0Jfflfjfjfjfijj.w.r.01Jrs 100.0ns19).0ns330.0ns ZO.Ons 330.0ns JSJ.Ons 400.0ns451.0ns5、2發(fā)送模塊VHDL的仿貞.5、3特率發(fā)生器和采

12、樣時(shí)鐘的設(shè)訃的VHDL仿真Irter.al: |-81.2n$|十| Tire:陽加AName.Pet |B16.0m25.0re93.0ns750fICO.Ois2C0Menclk一您 QE-譏uoTTTYTmTTTTHTKrnTTrCTCrfcriTTTrflo rn rn rnm rn5、4接受模塊的描述的VHDL仿貞.AX+plus II - rXpcUoireceivelO - coBreceivelO. scf - Iavefor EditorRUfplus II hl* Hit Xiw 申& Xzstgn Utililtax Ojt:inc Yind?/ MlpDEfV心直國應(yīng)基

13、(S We 話qqm-Ret 7D.Dri$Name:Vaj9：Df-corri1ir-clr1i-clk30u-clkl0-O Valid1密QH3：0翦PIH7愛NumH1砂mHOJ250ns50.0n5750nsIttl.Ons1250ns150 Chs1750re2LLJ_r t_u丁RJm_n_n_OJ2JJz3刃):nr7口nx6Tzc231:5 7 2Dim2OPPn :( i:;2 n p pn x G2加lrter.1: |-S3.4n$?00re5、5綜合仿真IAI-*plue EE - h:ppccppcc - ppcc. set - favefora Editor$綁城

14、“ IT file Nit Vie/ gc3? issigu l!tiUies Qptiwrs Jiadw B?lpn?心蝕囪色必/國豊（駕製夏字r:：;Ref. |75.0rr$Tirrie. 822.1nsJ 欣網(wǎng).|7d7.1rrsA,Value:7.0rs7S).0n$?75.Ons80.0ns825.0nsb SEND 衛(wèi)AT的1O_OATA|B.1HOF8F掃沏畑燉）：旳別紀(jì)旳仰佃使何伍獅輒加n-SEND少TM0It-EN1AA CLP CLK11 crCfl0Ax9QIB.1)Hro叩 :1:1DZ-croo01INVl堂1 bal 岡 ! !6、結(jié)果與分析6.1實(shí)現(xiàn)功能說明本實(shí)

15、驗(yàn)完成的RS232串口通信控制器，完成了課題要求的所有功能。由于頂層設(shè)計(jì)采用了子系統(tǒng)分模塊描述的方法，使得控制器具有很好的擴(kuò)展性。可以在不改變系統(tǒng)框架和模 塊間電路連接關(guān)系，增加其他模塊，實(shí)現(xiàn)其他功能。本課題中并沒有在數(shù)據(jù)幀中加入校驗(yàn)位，僅僅實(shí)現(xiàn)了 i位起始位，1位停止位和8位數(shù)據(jù)位的傳輸。初步實(shí) 現(xiàn)了單片機(jī)和CPLD之間的通信。數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，真正的重點(diǎn)在于把系統(tǒng)層而的設(shè)計(jì)做好，系統(tǒng)架構(gòu)淸晰，層次明確，穩(wěn)左性好，可擴(kuò)展和 可移植性好，這樣的系統(tǒng)給到用戶，只要添加用戶模塊或者稍作修改即可完成非特圧的功能。6.2器件資源分析在設(shè)計(jì)階段，對(duì)系統(tǒng)描述采用過多種方式，嘗試了多種描述，代碼的長度在增加，

16、模塊在增多，但系統(tǒng)穩(wěn)左 性和可擴(kuò)展性也在增強(qiáng)，層次結(jié)構(gòu)和模塊設(shè)計(jì)也更加完善。設(shè)訃之初對(duì)資源使用沒有多少概念，時(shí)常以軟件的思想描述硬件，在描述中使用乘法等資源耗費(fèi)嚴(yán)重的操作, 也曾使用過嵌套多層的IF-ELSE語句，產(chǎn)生很長的選擇器，降低了模塊的可靠性，增加處理延時(shí)。隨著設(shè)計(jì)的深 入，加上反復(fù)求精的過程磨練，逐步對(duì)硬件描述綜合出的實(shí)際電路形式有了更多的理解，對(duì)延時(shí)和資源占用有了 初步概念。一個(gè)顯見的結(jié)論是描述代碼的長度和綜合后的電路形式與資源占用無必然聯(lián)系。需要關(guān)注編譯器在綜 合時(shí)如何將VHDL行為級(jí)描述轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化的門級(jí)電路，才能分析淸楚資源占用率和電路結(jié)構(gòu)。行為級(jí)描述可能 與實(shí)際綜合的電路產(chǎn)

17、生不一致，需要謹(jǐn)慎對(duì)待。6.3故障和問題分析實(shí)驗(yàn)中由于詳細(xì)劃分了子模塊、各模塊的實(shí)現(xiàn)都仔細(xì)進(jìn)行了描述，故沒有出現(xiàn)太多的故障。但是在最后將個(gè) 子模塊進(jìn)行綜合的時(shí)候出現(xiàn)了仿真結(jié)果不正確的現(xiàn)象，后經(jīng)過多次修改終于得到正確的結(jié)果。由于對(duì)VHDL語言的學(xué)習(xí)與理解還停留在低層次上，故在編譯時(shí)岀現(xiàn)了很多錯(cuò)誤，在査閱了諸多相關(guān)資料后 對(duì)VHDL的語法基本熟悉，逐漸深入，從最初的模塊初步成型到最后全模塊化，自頂向下設(shè)汁系統(tǒng)，完成VHDL描述。最深的感受在于，開始時(shí)一心專注于代碼的編寫和 語法的使用，忽視了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致設(shè)訃結(jié)果不令人滿意，后來逐步采用自頂向下的設(shè)計(jì)思路，先從邏輯上把系 統(tǒng)的功能和子系統(tǒng)的劃分描述

18、淸楚，然后設(shè)計(jì)各個(gè)模塊的接口和定義，最后分別去描述底層各個(gè)模塊的功能和實(shí) 現(xiàn)，淸晰明了，一氣呵成。這也是系統(tǒng)沒有多少故障的主要原因。7、總結(jié)體會(huì)對(duì)這次設(shè)訃的題目起初不是很了解，后來通過同學(xué)、老師的解答和上網(wǎng)搜尋對(duì)設(shè)計(jì)有了一左的了解，對(duì)課題 的設(shè)計(jì)業(yè)采用了很多方法，有復(fù)雜的也有簡單的，最終決左采用這個(gè)方案，當(dāng)然，在使用這個(gè)方案設(shè)計(jì)程序的時(shí) 候也遇到了許多問題，有VHDL語言的語法問題也有硬件下載和仿貞問題，后來都在同學(xué)和老師的幫助下解決了， 解決問題的主要方法還是要加強(qiáng)對(duì)VHDL語言的學(xué)習(xí)和對(duì)硬件操作的學(xué)習(xí)，要注意只是與應(yīng)用相結(jié)合。8、參考文獻(xiàn)1 EDA技術(shù)實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，啟東計(jì)算機(jī)廠有

19、限公司。2 CPLD/FPGA可編程邏輯器件實(shí)用教程，馬歿，王丹利，王麗英，機(jī)械工業(yè)出版社，2010, 7。3 .微機(jī)原理與接口技術(shù)（第二版），田輝，高等教育岀版社.20114 .EDA技術(shù)實(shí)用教程一一VHDL版（第四版），科學(xué)出版社附錄1發(fā)送電路的波特率發(fā)生器的VHDLLIBRARY IEEE;USE IEEE.STD LOGIC 1164.ALL;USE IEEE.STD LOGIC ARITH.ALL;USE IEEE.STD LOGIC UNSIGNED.ALL;ENTITY clk_div ISPORTfcIk : IN STD_LOGIC;clk_divl3 : OUTSTD_LO

20、GIC);END clk_div;ARCHITECTURE rtl OF clk_div ISSIGNAL count: STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);SIGNAL clk_temp : STD_LOGIC;BEGINPROCESS(clk)BEGINIF (clkevent AND clk=,lI) THENIF(count=,00001101H) THENcount 0);clk_temp =NOT clk_temp;ELSE count = count +1;END IF;END IF;END PROCESS;clk_divl3= clk_temp;END r

21、tl;附錄2發(fā)送模塊的VHDLlibrary ieee;use ieee.stdogic_1164.aH;entity com isport(clk,en:in stdjogic;Send_data:in stdogic_vector(9 downto 0);seriakout std_lo gic);end com;architecture com_arc of com isbeginprocess(clk)variable count:integer range 0 to 9 :=0;beginif en=O thencount:=0;serial=,l,;elsif rising_edg

22、e(clk) thenif count=9 thenserial=Send_data(9);elseserial=Send_data(count);count:=count+l;end if;end if;end process;end compare;附錄3接收電路的波特率發(fā)生器和采樣時(shí)鐘設(shè)計(jì)的VHDLlibrary ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity countl3 isport(clk,en:in stdjogic;Clockl,Clock3:out std_logic);end countl3;architecture countl3_arc

23、 of countl3 isbeginprocess(clk,en)variable count:integer range 0 to 13 :=0;beginif en=,O, thenNUII;els訐(rising_edge(clk) thencount:=count+l;訐 count=13 thenClockl=,l,; count:=0;elseClockVO1;end if;訐(count=3 or count=6 or count=9 ) thenClock3=,l,;elseClock3=,0,;end if;end if;end process;end countl3_arc;附錄接受模塊的VHDLlibrary ieee;use ieee.std_logic_1164.all; entity com_receivelO is port(com,clr;clkbclk3:in stdjogic;Q:out std_logic_