圖3 FPGA內部功能模塊示意圖

FPGA內部共有16對讀/寫和數據總線，分別連接UART和相應的發送緩沖區RAM及接收緩沖區RAM。

FPGA內部模塊采用自頂向下的設計方法，將復雜系統劃分為簡單系統，然后通過邏輯和接口設計實現各個模塊功能。SRAM控制器用于FPGA和C8051F020的接口，負責內部RAM的讀寫控制。UART負責接收從單片機上傳的串行信號，將其并行化后存入接收數據緩沖RAM;另外也負責將發送緩沖RAM中的數據轉換成符合RS232協議規范的串行信號發送給從單片機。SRAM控制器和UART模塊同樣采用自頂向下的方式實現，關于SRAM控制器及UART的FPGA實現方案在參考文獻中有詳細的論述[56]，本文不再介紹。

FPGA內部系統采用同步有限狀態機(FSM)的設計方法實現，FSM負責調配各功能模塊之間的協作。狀態機采用獨熱(onehot)編碼，使電路的可靠性和速度有顯著的提高。系統狀態轉移圖如圖4所示。

圖4 有限狀態機狀態轉移圖

2.3 通信協議設計

主單片機和上位機的通信速率及FPGA和從單片機的通信速率均設置為38.4 Kbps，可以更精確的控制主單片機與各個從單片機之間的通信時間。通信指令由報頭、設備類型、設備號、命令號、命令數據、校驗等字段組成。報頭用于通知單片機開始串行通信，設備類型和設備號用于將指令正確傳達到相應的設備，命令號用于通知單片機指令，命令數據用于通知單片機具體的功能，校驗則采用CRC校驗以保證通信的準確性。寫入控制命令號為00H，讀取命令號為01H，讀取指令命令數據為0字節。通信指令的幀格式如下：

單片機接收到控制命令后,如果接收正確，返回00H，若錯誤則返回01H。返回幀格式為:

讀取指令沒有命令數據,幀格式為:

接收后單片機返回幀格式為:

結語

本文介紹了在FPGA上集成多個UART的方法，并以此為基礎搭建了一個多單片機通信網絡。設計中采用FPGA作為串行接口擴展器件與傳統器件相比具有功能靈活、擴展性好的特點。通過實驗證明，該通信網絡相對于傳統的總線拓撲網絡具有速度快、實時性好的特點，同時該網絡可以根據外設需要隨意擴展，非常適合應用于監督計算機控制系統和集散控制網絡。