基于FPGA的RS232串口通信控制器设计毕业设计Word文档下载推荐.docx
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基于FPGA的RS232串口通信控制器设计毕业设计Word文档下载推荐.docx
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学位论文原创性声明
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所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
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对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
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日期:
年月日
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日期:
导师签名:
日期:
指导教师评阅书
指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
4、研究方法的科学性;
技术线路的可行性;
设计方案的合理性
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
建议成绩:
(在所选等级前的□内画“√”)
指导教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
二、论文(设计)水平
评阅教师:
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
3、学生答辩过程中的精神状态
评定成绩:
教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
教学系意见:
系主任:
摘要
串口是可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。
串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。
通过RS-232以实现计算机之间、计算机与设备之间相互通信,目前仍是通讯领域广泛使用的方法之一。
几乎每台计算机都有一两个串行接口,用来与调制解调器、实验室设备、工控设备、POS终端等进行数据传输。
RS-232以其方便、经济的实现特点,一直深受工程界的青睐。
不论是在电力、工控还是电信、金融交通等诸多行业都有广泛的应用。
系统主芯片采用RS-232串口通信控制器,由基本时钟发生电路模块,复位电路模块,波特率选择模块,数据帧格式选择模块,串并转换模块组成。
经编译和仿真所设计的程序,在可编程逻辑器件上下载验证,结合FPGA技术高度灵活性与模块化的特点,实现基本RS-232总线通信的功能,以实现串口数据帧结构选择,串并转换,波特率选择等功能。
通过软件仿真,得到功能的验证,并进行功能逻辑模块的整合,从而验证设计的可行性与可靠性。
关键词:
RS-232串口通信控制器;
硬件描述语言;
FPGA
Abstract
communicationsbetweenequipment,isstillwidelyusedmethodofcommunicationfield.Almosteverycomputerhasaserialinterface,usedandmodems,laboratoryequipment,industrialequipment,POSterminals,etcfordatatransmission.Withitsrs-five232convenient,economicalrealizationofengineeringcharacteristics,hasbeendeeplyfavored.Whetherinelectricpower,telecommunications,financialtrafficcontrolormanyindustrieshavewidelyapplication.
Themasterchipadoptrs-five232serialcommunicationcontroller,thebasicclockcircuitmodule,resetcircuithappenedmodule,baudrate,dataframeformatselectionmodulechoicemodule,andconversionmodulecompositionstring.Thecompilerandsimulationdesignprogram,inprogrammablelogicdevicesonFPGAtechnology,combiningdownloadhighlyflexibleandmodularcharacteristics,basicRS-232fieldbuscommunicationfunction,inordertorealizetheserialdataframestructure,andtheconversionofchoice,baudrateetc.Function.Throughthesimulationtest,thefunctionandtheintegrationofthelogicalmodulefunction,whichverifiedthefeasibilityandreliabilityofthedesign.
Keywords:
RS-232serialcommunicationcontroller,Hardwaredescriptionlanguage,TheFPGA
1绪论
现代社会的标志之一就是信息产品的广泛使用,而且是产品的性能越来越强,复杂程度越来越高,更新步伐越来越快。
支撑信息电子产品高速发展的基础就是微电子制造工艺水平的提高和电子产品设计开发技术的发展。
前者以微细加工技术为代表,而后者的代表就是电子设计自动化(electronicdesignautomatic,EDA)技术。
本设计采用的VHDL是一种全方位的硬件描述语言,具有极强的描述能力,能支持系统行为级、寄存器传输级和逻辑门级三个不同层次的设计;
支持结构、数据流、行为三种描述形式的混合描述、覆盖面广、抽象能力强,因此在实际应用中越来越广泛。
ASIC是专用的系统集成电路,是一种带有逻辑处理的加速处理器。
而FPGA是特殊的ASIC芯片,与其他的ASIC芯片相比,它具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检测等优点。
在控制系统中,键盘是常用的人机交换接口,当所设置的功能键或数字键按下的时候,系统应该完成该键所设置的功能。
因此,键信息输入是与软件结构密切相关的过程。
根据键盘的结构不同,采用不同的编码方法。
但无论有无编码以及采用什么样的编码,最后都要转换成为相应的键值,以实现按键功能程序的转移。
1.1选题背景
本节将从FPGA嵌入式应用开发技术与数字钟技术发展的客观实际出发,通过对该技术发展状况的了解,以及课题本身的需要,指出研究基于FPGA的芯片系统与设计——数字钟的设计与实现的必要性。
1.1.1课题相关技术的发展
当今电子产品正向功能多元化,体积最小化,功耗最低化的方向发展。
它与传统的电子产品在设计上的显著区别师大量使用大规模可编程逻辑器件,使产品的性能提高,体积缩小,功耗降低.同时广泛运用现代计算机技术,提高产品的自动化程度和竞争力,缩短研发周期。
EDA技术正是为了适应现代电子技术的要求,吸收众多学科最新科技成果而形成的一门新技术。
美国ALTERA公司的可编程逻辑器件采用全新的结构和先进的技术,加上MaxplusII(或最新的QUARTUS)开发环境,更具有高性能,开发周期短等特点,十分方便进行电子产品的开发和设计。
EDA技术,技术以大规模可编程逻辑器件为设计载体,以硬件描述语言为系统逻辑描述主要表达方式,以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具,通过有关的开发软件,自动完成用软件的方式设计的电子系统到硬件系统的逻辑编译,逻辑化简,逻辑分割,逻辑映射,编程下载等工作。
最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新技术。
本设计利用VHDL硬件描述语言结合可编程逻辑器件进行的,并通过数码管动态显示计时结果。
数字钟可以由各种技术实现,如单片机等.利用可编程逻辑器件具有其他方式没有的特点,它具有易学,方便,新颖,有趣,直观,设计与实验项目成功率高,理论与实践结合紧密,体积小,容量大,I/O口丰富,易编程和加密等特点,并且它还具有开放的界面,丰富的设计库,模块化的工具以及LPM定制等优良性能,应用非常方便。
因此,本设计采用可编程逻辑器件实现。
1.1.2课题研究的必要性
现在是一个知识爆炸的新时代。
新产品、新技术层出不穷,电子技术的发展更是日新月异。
可以毫不夸张的说,电子技术的应用无处不在,电子技术正在不断地改变我们的生活,改变着我们的世界。
在这快速发展的年代,速度,精准对人们来说是越来越宝贵,在快节奏的生活时,RS-232串口通信控制器给人们带来了极大的方便。
近些年,随着科技的发展和社会的进步,人们对科技的要求也越来越高,传统的东西已不能满足人们的需求。
1.2课题研究的内容
本设计主要研究基于FPGA的RS-232串口控制器,针对具体设计要求进行原理设计(可在一般电子线路CAD软件,如protel99se上完成),提供电子版电路原理图用QuartusⅡ软件进行时序仿真,验证设计性能的可行性与可靠性,并提供相应的仿真效果图采用VHDL语言设计相关的功能化模块,实现串口数据帧结构选择,串并转换,波特率选择等功能。
通过具体操作,验证设计的稳定性与操作的灵活性。
2FPGA及RS-232简介
2.1FPGA概述
FPGA(Field-ProgrammableGateArray),即现场可编程门阵列,是目前应用最广泛的现场可编程逻辑器件(FPLD)之一。
FPGA是一类高集成度的可编程逻辑器件,起源于美国的Xillnx公司,该公司于1985年推出了世界上第一块FPGA芯片。
在这二十年的发展过程中,FPGA的硬件体系结构和软件开发工具都在不断的完善,日趋成熟。
从最初的1200个可用门,90年代时几十万个可用门,发展到目前数百万门至上千万门的单片FPGA芯片,Xilinx、Altera等世界顶级厂商已经将FPGA器件的集成度提高到一个新的水平。
FPGA结合了微电子技术、电路技术、EDA技术,使设计者可以集中精力进行所需逻辑功能的设计,缩短设计周期,提高设计质量。
FPGA的应用领域最初为通信领域,但目前,随着信息产业和微电子技术的发展,可编程逻辑嵌入式系统设计技术已经成为信息产业最热门的技术之一,应用范围遍及航空航天、医疗、通讯、网络通讯、安防、广播、汽车电子、工业、消费类市场、测量测试等多个热门领域。
并随着工艺的进步和技术的发展,向更多、更广泛的应用领域扩展。
越来越多的设计也开始以ASIC转向FPGA,FPGA正以各种电子产品的形式进入了我们日常生活的各个角落。
目前以硬件描述语言(Verilog或VHDL)所完成的电路设计,可以经过简单的综合与布局,快速的烧录至FPGA上进行测试,是现代IC设计验证的技术主流。
这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路(比如AND、OR、XOR、NOT)或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。
在大多数的FPGA里面,这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器(Flip-flop)或者其他更加完整的记忆块。
2.1.1FPGA的发展历史
早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存储器(PROM)、紫外线可擦除只读存储器(EPROM)和电可擦除只读存储器(E2PROM)三种。
由于结构的限制,它们只能完成简单的数字逻辑功能。
其后出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片,即可编程逻辑器件(PLD),它能够完成各种数字逻辑功能。
典型的PLD由一个“与”门和一个“或”门阵列组成,而任意一个组合逻辑都可以用“与—或”表达式来描述,所以PLD能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能。
这一阶段的产品主要有PAL(可编程阵列逻辑)和GAL(通用阵列逻辑)。
PAL由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成,或门的输出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。
PAL器件是现场可编程的,它的实现工艺有反熔丝技术、EPROM技术和E2PROM技术。
还有一类结构更为灵活的逻辑器件是可编程逻辑阵列(PLA),它也由一个“与”平面和一个“或”平面构成,但是这两个平面的连接关系是可编程的。
PLA器件既有现场可编程的,也有掩膜可编程的。
在PAL的基础上又发展了一种通用阵列逻辑(GAL,GenericArrayLogic),如GAL16V8、GAL22V10等。
它采用了E'PROM工艺,实现了电可擦除、电可改写,其输出结构是可编程的逻辑宏单元,因而它的设计具有很强的灵活性,至今仍有许多人使用。
这些早期的PLD器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能,但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。
为了弥补这一缺陷,20世纪80年代中期,Altera和Xilinx分别推出了类似于PAL结构的扩展型CPLD(ComplexProgrammableLogicDvice)和与标准门阵列类似的FPGA(FieldProgrammableGateArray),它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。
这两种器件兼容了PLD和通用门阵列的优点,可实现较大规模的电路,编程也很灵活。
与门阵列等其他ASIC(ApplicationSpecificIC)相比,它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品不需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点,因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产(一般在10000件以下)之中。
几乎所有应用门阵列、PLD和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用FPGA和CPLD器件。
FPGA和CPLD的内部结构稍有不同。
通常,FPGA中的寄存器资源比较丰富,适合同步时序电路较多的数字系统;
CPLD中组合逻辑资源比较丰富,适合组合电路较多的控制应用。
在这两类可编程逻辑器件中,CPLD提供的逻辑资源较少,而FPGA提供了最高的逻辑密度、最丰富的特性和极高的性能,已经在通信、消费电子、医疗、工业和军事等各应用领域当中占据重要地位。
因此,本文主要针对FPGA进行阐述。
2.1.2FPGA基本结构
FPGA具有掩膜可编程门阵列的通用结构,它由逻辑功能块排成阵列,并由可编程的互连资源连接这些逻辑功能块来实现不同的设计。
FPGA一般由3种可编程电路和一个用于存放编程数据的静态存储器SRAM组成。
这3种可编程电路是:
可编程逻辑模块(CLB--ConfigurableLogicBlock)、输入/输出模块(IOB--I/OBlock)和互连资源(IR—InterconnectResource)。
可编程逻辑模块CLB是实现逻辑功能的基本单元,它们通常规则的排列成一个阵列,散布于整个芯片;
可编程输入/输出模块(IOB)主要完成芯片上的逻辑与外部封装脚的接口,它通常排列在芯片的四周;
可编程互连资源包括各种长度的连接线段和一些可编程连接开关,它们将各个CLB之间或CLB、IOB之间以及IOB之间连接起来,构成特定功能的电路。
1.CLB是FPGA的主要组成部分。
图2-1是CLB基本结构框图,它主要由逻辑函数发生器、触发器、数据选择器等电路组成。
CLB中3个逻辑函数发生器分别是G、F和H,相应的输出是G’、F’和H’。
G有4个输入变量G1、G2、G3和G4;
F也有4个输入变量F1、F2、F3和F4。
这两个函数发生器是完全独立的,均可以实现4输入变量的任意组合逻辑函数。
逻辑函数发生器H有3个输入信号;
前两个是函数发生器的输出G’和F’,而另一个输入信号是来自信号变换电路的输出H1。
这个函数发生器能实现3输入变量的各种组合函数。
这3个函数发生器结合起来,可实现多达9变量的逻辑函数。
CLB中有许多不同规格的数据选择器(四选一、二选一等),通过对CLB内部数据选择器的编程,逻辑函数发生器G、F和H的输出可以连接到CLB输出端X或Y,并用来选择触发器的激励输入信号、时钟有效边沿、时钟使能信号以及输出信号。
这些数据选择器的地址控制信号均由编程信息提供,从而实现所需的电路结构。
CLB中的逻辑函数发生器F和G均为查找表结构,其工作原理类似于ROM。
F和G的输入等效于ROM的地址码,通过查找ROM中的地址表可以得到相应的组合逻辑函数输出。
另一方面,逻辑函数发生器F和G还可以作为器件内高速RAM或小的可读写存储器使用,它由信号变换电路控制。
2.输入/输出模块IOB。
IOB提供了器件引脚和内部逻辑阵列之间的连接。
它主要由输入触发器、输入缓冲器和输出触发/锁存器、输出缓冲器组成。
每个IOB控制一个引脚,它们可被配置为输入、输出或双向I/O功能。
当IOB控制的引脚被定义为输入时,通过该引脚的输入信号先送入输入缓冲器。
缓冲器的输出分成两路:
一路可以直接送到MUX,另一路经延时几纳秒(或者不延时)送到输入通路D触发器,再送到数据选择器。
通过编程给数据选择器不同的控制信息,确定送至CLB阵列的I1和I2是来自输入缓冲器,还是来自触发器。
当IOB控制的引脚被定义为输出时,CLB阵列的输出信号OUT也可以有两条传输途径:
一条是直接经MUX送至输出缓冲器,另一条是先存入输出通路D触发器,再送至输出缓冲器。
IOB输出端配有两只MOS管,它们的栅极均可编程,使MOS管导通或截止,分别经上拉电阻接通Vcc、地线或者不接通,用以改善输出波形和负载能力。
图2-1CLB基本结构
3.可编程互连资源IR。
可编程互连资源IR可以将FPGA内部的CLB和CLB之间、CLB和IOB之间连接起来,构成各种具有复杂功能的系统。
IR主要由许多金属线段构成,这些金属线段带有可编程开关,通过自动布线实现各种电路的连接。
2.1.3FPGA系统设计流程
一般说来,一个比较大的完整的项目应该采用层次化的描述方法:
分为几个较大的模块,定义好各功能模块之间的接口,然后各个模块再细分去具体实现,这就是TOPDOWN(自顶向下)的设计方法。
目前这种高层次的设计方法已被广泛采用。
高层次设计只是定义系统的行为特征,可以不涉及实现工艺,因此还可以在厂家综合库的支持下,利用综合优化工具将高层次描述转换成针对某种工艺优化的网络表,使工艺转化变得轻而易举。
CPLD/FPGA系统设计的工作流程如图2-2所示。
图2-2CPLD/FPGA系统设计流程
流程说明:
1.工程师按照“自顶向下”的设计方法进行系统划分。
2.输入VHDL代码,这是设计中最为普遍的输入方式。
此外,还可以采用图形输入方式(框图、状态图等),这种输入方式具有直观、容易理解的优点。
3.将以上的设计输入编译成标准的VHDL文件。
4.进行代码级的功能仿真,主要是检验系统功能设计的正确性。
这一步骤适用于大型设计,因为对于大型设计来说,在综合前对源代码仿真,就可以大大减少设计重复的次数和时间。
一般情况下,这一仿真步骤可略去。
在QuartusII用VHDL实现新建如图2-3所示
图2-3新建vhdl
5.利用综合器对VHDL源代码进行综合优化处理,生成门级描述的网络表文件,这是将高层次描述转化为硬件电路的关键步骤。
综合优化是针对ASIC芯片供应商的某一产品系列进行的,所以综合的过程要在相应的厂家
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