波特率连续可调的串口通信技术

摘要 在基于PCI接口波特率连续可调的串口通信技术中，串口通信模块作为整个PCI接口功能的本地模块，是实现PCI接口模块与外部串口信息的沟通。文中介绍了波特率连续可调技术的实现原理和方法，并基于PCI接口和FPGA技术完成通信模块的实现与测试验证。其具有设计的灵活性和应用的广泛性。
关键词 PCI接口；串口通信；波特率连续可调；DDS；FPGA

    基于PCI总线的串口通信技术，在工业领域中有着重要的应用。而目前市场上基于PCI总线的串口通信卡，虽然可以实现多串口收发且波特率可调，但可调的波特率只是几个点，不能实现连续可调。但在一些军事通信中，经常会需要波特率连续可调，以满足军事通信中对波特率的特殊要求。文中基于这个要求，采用硬件描述语言，实现这一功能要求在FPGA上的研究、开发、测试与验证。

1 波特率连续可调的串口通信
1．1 串口通信中的波特率技术
    在数据通信中，波特率等于每秒钟传输的数据位数。在串行通讯中，收发双方基于同一波特率实现数据的发送与接收。波特率即为发送或接收信号的频率。
1．2 波特率连续可调的DDS方法
1．2．1 设计要求
    例如RS232标准中串行通信波特率的一般要求范围是300～115 200 bit·s-1。而传统的串行通信卡支持波特率可调只是在某几点可调。文中研究的目标是波特率连续可调，例如要求波特率在300～115 200 bit·s-1之间可以实现步进为1 bit·s-1甚至0．1 bit·s-1的调节。
    改变波特率即改变信号发送或信号接收时钟的频率，可以采用对基准时钟进行数据分频的方法，但达不到调节的连续性。文中采用改进的DDS方法，实现对发送时钟fclk步进为1 bit·s-1的调节。
1．2．2 DDS原理介绍
    直接数字频率合成DDS(Direct Digital Synthesis)是种把一系列数字信号通过D／A转换器转换为模拟信号的合成技术。传统DDS的核心结构如图1所示。

    输出频率可由式(1)确定。
   
    其中，fclk是时钟频率；FCW是频率控制字；L为相位累加字的字长。
1．2．3 产生频率连续可调的时钟信号
    在传统的DDS技术中，频率最小步进值的尾数不是零，给后续的频率合成造成不便，所以采用改进的DDS技术，循环相位累加器设定一个可调的最大值作为溢出值，最大值溢出后，以余值而不是以零作为下一次累加的起始值。结构框图如图2所示。

    改进后的DDS输出频率可由式(3)确定
   
    最小频率精度可由式(4)确定
   
    其中，Mode为循环相位累加器的最大值，即模值，可以预先设定。N为一个周期所包含的采样点数。Mode，N的取值要综合考虑fclk和FCW的值，以获得一个随FCW线性变化的fclk即实现了fclk随FCW变化而变化的连续可调。
1．2．4 采用的DDS技术
    针对RS232标准中串行通信中波特率的一般要求范围300～115 200 bit·s-1，采用改进的DDS技术，基于FPGA，设计如图3所示的DDS模块。

    其中的循环相位累加器模块DDS_adder模块，相位寄存器模块DDS_addr_gen是基于硬件描述语言设计的模块，ROM模块DDS_ROM是基于FPGA的宏模块。
    在本设计中实现发送时钟fclk在300～115 200 bit·s-1范围内步进为0．1 bit·s-1的调节。其中，Mode取7 812 500，N取4，fclk为外部晶振提供的频率为50 MHz时钟。
    因此，有△F=1．6 FCW。其中，FCW为应用程序所传送的实际控制频率的10倍，根据UART协议，发送时钟的频率至少是串口通信波特率的16倍。所以，以上的参数设置即实现了步进为0．1 bit·s-1的连续可调的波特率设置。
1．2．5 连续可调信号的验证
    文中DDS技术是基于FPGA实现的。根据不同的频率控制字fword输入，经过几个过渡时钟后，DDS模块即可以稳定产生随频率变化的时钟信号fclk。

    在图4的仿真中，所仿真的频率点是115 200 Hz，9 600 Hz，1 200 Hz,，对应的fword为0x00119400，0x00017700，0x00002EE0。

2 任意波特率串口通信模块
2．1 串口通信模块的框架
    PCI接口模块向通信模块传送频率控制字，发送的数据，发送命令和接受命令。从通信模块获取中断信号，接收的数据。频率控制字fword经过DDS模块，产生COM模块所需的发送时钟频率，COM模块接收数据或发送数据受控于PCI接口模块，实现与外部串口的数据沟通，总体框架如图5所示。

2．2 串口通信模块
    串口通信模块COM要实现数据的接收和发送双向工作，接收和发送均采用FIFO的方式，发送FIFO满，即自动向外部端口发送数据，接收FIFO半满即自动将FIFO中的数据向上传输。采用FIFO结构，而不采用RAM，可以免去复杂的地址问题。
    COM模块的设计框架如图6所示。包括：rcvFIFO实现从串口接收数据的和用于Rcv模块。txmitFIFO实现向串口发送数据的和用于Tmit模块。

    从PCI接口传送过来的数据是32位的，经过txmitFIFO，32位数据分4次传送到Txmit模块。
2．3 设计方案的验证
2．3．1 COM中各个模块的功能验证
    要保证COM模块可以实现数据的发送与接收，其中的各模块必须实现各自的功能，再将各模块连接起来。
    例如其中Rcv模块实现串口数据的接收，接收数据的频率由DDS接口产生的时钟信号fclk控制。接收的数据发送到revFIFO中。Rcv模块接受数据的仿真波形如图7所示，串口接收的数据是1，0，1，0，1，0，1，0，发出的数据是10101010。

2．3．2 COM模块功能的验证
    各模块的功能验证通过后，再将各个模块连接起来，完成COM模块的设计，图8所示为COM模块发送端口的波形图。频率控制字是0x00119 400，DDS模块产生发送时钟fclk，Serial_port输出即为输出串口。

3 应用前景
    文中研究的波特率连续可调的串口通信模块是基于PCI接口的，其在工业控制中有着广泛应用。实现频率连续可调可以满足很多特殊需求。PCI接口的设计和通信模块的设计可以同时基于FPGA，实现设计的灵活性。设计方案中只实现了一收一发的功能，基于本设计可以扩展成多串口的波特率连续可调的通信卡。