UART设计说明

中国科学院国家空间科学中心文件名称：UART设计说明实验单位：悦供货单位：悦编写：悦校对：钢审核：士批准：钢2016年6月14日目录目录1.串行通信概念............................................................................................................51.1串行通信分类.....................................................................................................51.2串行通信方式.....................................................................................................52.UART异步串口通信原理........................................................................................62.1波特率.................................................................................................................62.2通信协议.............................................................................................................62.3UART串口结构图...............................................................................................82.4WINDOWS串口配置界面.....................................................................................92.4串口通信标准.....................................................................................................92.4.1RS-232C标准................................................................................................92.4.2RS-422、RS-423和RS-429标准..............................................................113.UART异步串行口收发模块设计..........................................................................113.1UART传输时序.....................................................................................123.2全局复位模块.........................................................................................133.3UART分频器.........................................................................................133.4UART接收模块.....................................................................................143.5UART发送模块.....................................................................................163.6UART顶层框图.....................................................................................183.7UART激励文件.....................................................................................19UART设计说明1.串行通信概念1.1串行通信分类串口通信是目前比较重要的一种通信方式，主要是用于计算机和外部的通信。数据通信的基本方式可分为并行通信与串行通信两种：并行通信：是指利用多条数据传输线将一个资料的各位同时传送。它的特点是传输速度快，适用于短距离通信，要求通讯速率较高的应用场合。串行通信：是指利用一条传输线将资料一位位地顺序传送。它的特点是通信线路简单，利用简单的线缆就可实现通信，降低成本，适用于远距离通信，传输速度慢的应用场合。发送方在发送前要将并行数据转成串行数据，接收方接收后要完成串行数据到并行数据的转换。异步串行通信：在通信的数据流中，字符间异步，字符内部各位间同步。异步通信方式的“异步”主要体现在字符与字符之间通信没有严格的定时要求。然而，一旦传送开始，收/发双方则以预先约定的传输速率，在时钟的作用下，传送这个字符中的每一位。同步串行通信：数据流中的字符与字符之间和字符内部的位与位之间都同步。同步串行通信是以数据块（字符块）为信息单位传送，而每帧信息包括成百上千个字符，因此传送一旦开始，要求每帧信息内部的每一位都要同步。1.2串行通信方式UART设计说明2.UART异步串口通信原理2.1波特率波特率：单位时间内传送的二进制数据的位数，以位/秒（bit/s）表示，也称为数据位率。它是衡量串行通信速率的重要指标。每一个数据位的宽度等于传送波特率的倒数。微机异步串行通信中，常用的波特率为110，150，300，600，1200，2400，4800，9600，19200，38400，115200等。收/发时钟：直接决定了通信线路上数据传输的速率，对于收/发双方之间数据传输的同步有十分重要的作用。2.2通信协议串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通行的端口，这些参数必须匹配：a，波特率：这是一个衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送的bit的个数。例如300波特表示每秒钟发送300个bit。当我们提到时钟周期时，我们就是指波特率例如如果协议需要4800波特率，那么时钟是4800Hz。这意味着串口通信在数据线上的采样率为4800Hz。通常电话线的波特率为14400，28800和36600。波特率可以远远大于这些值，但是波特率和距离成反比。高波特率常常用于放置的很近的仪器间的通信，典型的例子就是GPIB设备的通信。b，数据位：这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际的数据不会是8位的，标准的值是5、7和8位。如何设置取决于你想传送的信息。比如，标准的ASCII码是0～127（7位）。扩展的ASCII码是0～255（8位）。如果数据使用简单的文本（标准ASCII码），那么每个数据包使用7位数据。每个包是指一个字节，包括开始/停止位，数据位和奇偶校验位。由于实际数据位取决于通信协议的选取，术语“包”指任何通信的情况。c，停止位：用于表示单个包的最后一位。典型的值为1，1.5和2位。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。d，奇偶校验位：在串口通信中一种UART设计说明简单的检错方式。有四种检错方式：偶、奇、高和低。当然没有校验位也是可以的。对于偶和奇校验的情况，串口会设置校验位（数据位后面的一位），用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。例如，如果数据是011，那么对于偶校验，校验位为0，保证逻辑高的位数是偶数个。如果是奇校验，校验位位1，这样就有3个逻辑高位。高位和低位不真正的检查数据，简单置位逻辑高或者逻辑低校验。这样使得接收设备能够知道一个位的状态，有机会判断是否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据是否不同步通信协议：是指通信双方约定的一些规则。在使用异步串口传送一个字符的信息时，对资料格式有如下约定：规定有空闲位、起始位、数据位、奇偶校验位、停止位。通讯时序图如下：图1通讯时序图开始前，线路处于空闲状态，送出连续“1”。传送开始时首先发一个“0”作为起始位。然后出现在通信线上的是字符的二进制编码数据，每个字符的数据位长可以约定为5位、6位、7位或8位，一般采用ASCII编码，它包含的8位是由低位开始传送。后面是奇偶校验位，根据约定，用奇偶校验位将所传字符中为“1”的位数凑成奇数个或偶数个。也可以约定不要奇偶校验，这样就取消奇偶校验位。最后是表示停止位的“1”信号，这个停止位可以约定持续1位、1.5位或2位的时间宽度。至此一个字符传送完毕，线路又进入空闲，持续为“1”。经过一段随机的时间后，下一个字符开始传送才又发出起始位。UART设计说明图2采样时序图2.3UART串口结构图串口在一般的台式机上都会有。随着笔记本电脑的使用，一般会采用USB转串口的方案虚拟一个串口供笔记本使用。下图为UART串口的结构图。串口具有9个引脚，但是真正连接入FPGA开发板的一般只有两个引脚。这两个引脚是：发送引脚TxD和接收引脚RxD。由于是串行发送数据，因此如果开发板发送数据的话，则要通过TxD线1bit接着1bit发送。在接收时，同样通过RxD引脚1bit接着1bit接收。图3UART串口结构图异步通信以一个字符为传输单位，通信中两个字符间的时间间隔是不固定的，然而在同一个字符中的两个相邻位代码间的时间间隔是固定的。串口用于ASCII码字符的传输。通信使用3根线完成：（1）地线，（2）发送，（3）接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。UART设计说明其他线用于握手，但是不是必须的。2.4Windows串口配置界面图4Windows串口配置界面打开Windows自带的串口收发软件：超级终端，可以配置相关的选项。每秒位数：可以设定一个周期的长度：如果我们设定为9600，则上图中1位持续的时间是：1/9600s。数据位：可以从5、6、7、8中选一位。奇偶校验：可以从偶校验、奇校验、无、标记、空格中任选一个。停止位：可以是：1、1.5、2。2.4串口通信标准2.4.1RS-232C标准串行通信系统UART设计说明常用的RS-232C信号线电气特性应保证电平在±(5~15)V之间对于数据线：逻辑“1”(MARK)=-3V~-15V逻辑“0”(SPACE)=+3V~+15V对于控制信号：接通状态（ON）即信号有效电平=+3V~15V断开状态（OUT）即信号无效电平=-3Ⅴ~-15V进行电平转换RS-232C接口采用的是负逻辑，其逻辑电平与TTL电平不一样，不能兼容。因此，为了实现与TTL电路的连接，必须进行电平转换。目前可以使用新型电平转换芯片MAX232和MAX232A（高速）双组RS-232C发送/接收器，实现TTL电平与RS-232C电平双向转换。传输速率与传输距离UART设计说明连接器2.4.2RS-422、RS-423和RS-429标准