一、硬件電路設計
本文選用CPLD 是ALTERA 公司的EPM240T100，結合MAX232 接口芯片進行串口通信設計，框圖如下圖1 所示。
圖1 CPLD串口通信模塊硬件設計
二、VHDL程序模塊設計及描述
使用VHDL 對CPLD 進行編程，設計3 個模塊，波特率發(fā)生模塊，接收器，發(fā)送器。
1. 波特率發(fā)生模塊
波特率發(fā)生器實際是一個分頻器，如前所述，本文設計的波特率為19.2kb/ 秒，設計使用的時鐘頻率為10MHz，所以計數(shù)器進行計數(shù)時計數(shù)到260進行翻轉。
程序如下(關鍵部分保留，非必要部分用……代替)：
……
ENTITY uart IS
GENERIC(d_len:INTEGER:=8);
PORT (
f10MHz:IN STD_LOGIC;-- 系統(tǒng)時鐘
reset:IN STD_LOGIC;-- 復位信號
rxd:IN STD_LOGIC; -- 串行接收
txd:OUT STD_LOGIC;-- 串行發(fā)送
);
END uart;
ARCHITECTURE behav of uart IS
……
BEGIN
rxds<=rxd;
PROCESS(f10MHz,reset)
-- 設置波特率發(fā)生器 19200kb/s
VARIABLE clk19200hz: STD_LOGIC;
VARIABLE count:INTEGER RANGE 0 TO 260;
BEGIN
IF reset='0' THEN
count:=0;
clk19200hz:='0';
ELSIF f10MHz'EVENT AND f10MHz='1' THEN
IF count=260 THEN
count:=0;clk19200hz:= NOT clk19200hz;
ELSE
count:=count+1;
END IF;
END IF;
baud_rate<=clk19200hz;
END PROCESS;發(fā)送模塊e#2. 發(fā)送模塊
發(fā)送部分采用狀態(tài)機t_state 進行編程，共設兩個值：t-start 和t_shift，分別表示發(fā)送開始以及發(fā)送保持狀態(tài)。復位鍵按下時設置到t-start 狀態(tài)，并將發(fā)送數(shù)據(jù)位設為“1”， 發(fā)送的數(shù)據(jù)位數(shù)計數(shù)為0，在t-start 狀態(tài)，狀態(tài)機將處于這一個狀態(tài)并等待波特率計數(shù)信號的電平上升沿到來。上升沿到來時，依據(jù)t_state 狀態(tài)的不同值做不同處理，如果是t-start 開始狀態(tài)則先讀待發(fā)送的數(shù)據(jù)，并發(fā)送開始位“0”，然后將狀態(tài)轉到發(fā)送保持t_shift 狀態(tài)，在發(fā)送保持t_shift 狀態(tài)，不斷判斷發(fā)送的數(shù)據(jù)位數(shù)是否滿8 位，如果滿了則回歸t-start 狀態(tài)，否則繼續(xù)發(fā)送，保持在t_shift 狀態(tài)，為避免干擾將其余情況下的狀態(tài)自動跳轉到t-start 狀態(tài)。程序如下：
PROCESS(baud_rate,reset,data)
-- 數(shù)據(jù)發(fā)送部分
VARIABLE t_no:INTEGER RANGE 0 TO 8;
-- 發(fā)送的數(shù)據(jù)各位的位序號
VARIABLE txds:STD_LOGIC;
VARIABLE dtmp:STD_LOGIC_VECTOR(7
DOWNTO 0);
BEGIN
IF reset='0' THEN
t_state<=t_start;
txds:='1';
t_no:=0;
ELSIF baud_rate'event AND baud_rate='1' THEN
CASE t_state IS
WHEN t_start=>
dtmp:=data;
txds:='0'; -- 發(fā)送開始
t_state<=t_shift;
WHEN t_shift=> IF t_no=d_len THEN
txds:='1'; -- 發(fā)送結束
t_no:=0;
t_state<=t_start;
ELSE
txds:=dtmp(t_no); -- 發(fā)送一字節(jié)數(shù)據(jù)
t_no:=t_no+1;
END IF;
WHEN thers=>t_state<=t_start;
END CASE;
END IF;
txd<=txds;
END PROCESS;
3. 數(shù)據(jù)接收模塊
接收部分采用狀態(tài)機進行編程，共設兩個狀態(tài)：
r-start 和r_shift 分別表示接收開始以及接收保持狀態(tài);復位鍵按下時設置到r-start 狀態(tài)，并將待接收存放數(shù)據(jù)的data 賦值為“00000000”， 在r-start狀態(tài)，接收狀態(tài)機將處于這一個狀態(tài)并等待波特率計數(shù)信號的電平上升沿到來。波特率發(fā)生模塊的計數(shù)上升沿到來，依據(jù)狀態(tài)的不同值做不同處理，如果是r-start 接收開始狀態(tài)則等待開始位信號，檢測到rxds=‘0’的開始位信號好轉到r_shift 接收保持狀態(tài)，r_shift 接收保持狀態(tài)會不斷判斷接收的數(shù)據(jù)位數(shù)是否滿8 位，如果滿了則回歸r-start 狀態(tài)，否則繼續(xù)接收，保持在r_shift 接收保持狀態(tài)，為避免干擾將其余情況下的狀態(tài)自動跳轉到r-start 接收開始狀態(tài)，程序與發(fā)送部分類似，此處省略。
三、串口通信的VHDL程序仿真結果
串行口通信的仿真結果如圖2 所示。從圖中可以看出，每發(fā)送完一個字節(jié)，即8 位數(shù)據(jù)后，線路上將輸出一個高電平，之后又開始傳送下一個字節(jié)。
同樣，仿真波形顯示，有效數(shù)據(jù)到達接收管腳rxd之前，線路上保持為高電平，直到收到一個低電平起始位，將該起始位后的8 位數(shù)據(jù)串行接收后依次送到保存接收結果的信號data 的各位。
圖2 串行口通信仿真波形圖
串口通信的硬件驗證
將程序通過在系統(tǒng)編程下載入配套的CPLD 電路板進行硬件驗證，按照以下步驟進行。
(1)確定管腳對應關系：
串行接收管腳rxd 與max232 的12 腳R1OUT對應; 串行發(fā)送管腳txd 與max232 的11 腳T1IN對應;復位信號reset 與按鍵S1 對應。
(2)由QUARTUS II 進行管腳分配：
f10MHz 在MAXII 芯片上對應的管腳號為12 ;S1 在MAXII 芯片上對應的管腳號為21 ; rxd 在MAXII 芯片上對應的管腳號為89; txd 在MAXII 芯片上對應的管腳號為90。
(3)電平定義：
按鍵S1 按下時表示輸入信號為低電平。
應用“ 串口調試助手” 進行驗證， 在發(fā)送窗口隨機輸入需要發(fā)送的字符，可以發(fā)現(xiàn)由PC 機發(fā)給CPLD 的字符被CPLD 傳送回來并在接收窗口顯示出來。在批量隨機數(shù)據(jù)發(fā)送后分析：在傳輸時19.2kb/s 傳輸速率下，誤碼率達10-8。