基于FPGA的PC-104和多路UART擴(kuò)展系統(tǒng)的研究與開發(fā).pdf

1、UART和PC/104總線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、工作可靠、抗干擾能力強(qiáng)、可利用資源豐富等眾多優(yōu)點(diǎn)，在嵌入式領(lǐng)域特別是工業(yè)控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，深受廣大用戶的喜愛。在工控領(lǐng)域經(jīng)常遇到一個(gè)主控制器同多個(gè)協(xié)控制器或設(shè)備通信，這需要多個(gè)UART來實(shí)現(xiàn)，但目前市場(chǎng)上對(duì)多UART的擴(kuò)展有兩種方法：使用軟件模擬和使用專用的UART擴(kuò)展芯片來擴(kuò)展。這兩種方法實(shí)現(xiàn)起來麻煩、操作復(fù)雜、費(fèi)用較高，而且存在著資源的大量浪費(fèi)，滿足不了對(duì)大量的串行通信接口的要

2、求。PC/104總線控制器以X86架構(gòu)的處理器作為控制芯片，但它功耗高，板子體積大，而且價(jià)格昂貴。
　　 由于FPGA具有用戶可編程性，可以靈活地實(shí)現(xiàn)所需的功能，經(jīng)過20多年的發(fā)展，集成度有了極大的提高，達(dá)到幾千萬門；速度越來越快，主頻最高可以達(dá)到600MHz；功耗進(jìn)一步降低，內(nèi)核電壓只有1.2V；穩(wěn)定性也有長(zhǎng)足的發(fā)展，工業(yè)級(jí)可以應(yīng)用在-40～100℃的各種環(huán)境中；已經(jīng)成為IC產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。FPGA利用硬件實(shí)現(xiàn)所需的功能，

3、比軟件穩(wěn)定性好，速度要快。
　　 論文分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能，對(duì)比各種可行方案，決定使用FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)；從FPGA的設(shè)計(jì)流程出發(fā)，對(duì)設(shè)計(jì)作出總體規(guī)劃，確定的芯片選型，并對(duì)系統(tǒng)硬件的電源模塊、FPGA配置模塊進(jìn)行了描述。詳細(xì)分析了PC/104總線的協(xié)議以及操作時(shí)序，將所要設(shè)計(jì)的PC/104總線控制器模塊的主要功能歸納為一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)，使用Verilog硬件描述語言描述，并對(duì)程序代碼作簡(jiǎn)要分析，利用ModelSim進(jìn)行功能仿真。從UA

4、RT工作原理和數(shù)據(jù)傳輸格式出發(fā)，對(duì)可配置的多UART模塊的功能進(jìn)行了整體劃分，利用兩個(gè)FSM實(shí)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，并在ModelSim中進(jìn)行功能仿真。將兩個(gè)大功能部分組合起來，進(jìn)行功能仿真，并利用統(tǒng)合工具SynplifyPro進(jìn)行綜合，最后在Xilinx公司Spartan-3系列FPGA上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，完成擴(kuò)展板所需的PC/104總線控制器功能和16個(gè)可配置的全雙工的UART功能。基于Freescale公司的嵌入式操實(shí)時(shí)作系統(tǒng)作系統(tǒng)