一种基于FPGA和SC16C554实现多串口通信的方法

1 串口扩展方案选择
    多串口通信常用的实现方案有两种：一种是软件实现，采用软件编程模拟串口，该方法成本低，但编程复杂、开发周期长、可靠性低。另一种是硬件实现，使用多串口单片机或专用串口扩展芯片，该方法虽然成本较高，但是开发比较简单，可靠性高。
    目前比较通用的实现方案是采用通用异步通信芯片实现串口扩展，采用FPGA／CPLD实现DSP与异步串口扩展芯片之间的逻辑控制，完全基于DSP接收和发送数据。该方案的缺点是：当数据量较大、多串口同时工作时占用DSP的时间较长，影响DSP的工作效率，且会造成数据丢失。因此本文提出了一种新的实现方法--基于FPGA和通用异步通信芯片实现多串口通信设计。在不进行硬件改动的基础上，通过在FPGA内建立一个缓存机制，实现接收串口芯片的数据，达到一定量时向DSP发送中断读取数据。该设计能极大减少对DSP的占用时间，提高了DSP的工作效率；同时提高了对串口芯片中断请求的响应速度，解决了数据丢失的问题。

2 硬件电路设计
    本设计采用通用异步通信芯片SC16C554来实现串口扩展。SC16C554主要特点有：
    1．有A、B、C、D四个通道独立收发数据；
    2．最高传输速率可达5Mbit／s，具有可编程波特率发生器，便于灵活选择数据收发频率；
    3．具有16字节的收发FIFO，且有1、4、8、14字节四个可选择的中断触发深度；
    4．可通过编程设置传输数据的格式(数据长度，校验位，停止位)；
    5．具有可独立控制的发送、接收、线路状态和MODEM状态中断；
    6．充分分级的中断系统控制，全面的线路状态报告功能。
    基于FPGA和SC16C554实现多串口通信的基本原理图如图1所示：

3 软件设计及实现
    系统实际工作所需波特率分别为9600、38400、115200、153600 。分析计算可得不同波特率发送数据时，连续两个数据之间的时间间隔如表1所示：

    由表1可知单个通道连续两个中断产生的最小时间间隔为65μs；因此在65μs的时间内如果可以实现对四个通道分别进行一次读数据操作，即使是四个通道同时来数据也不会发生数据丢失的现象。
3．1 数据的存储设计
    即在FPGA内部建立一个缓存机制。设计采用在FPGA内部做一个双端口RAM(DPRAM)，用来存储串口数据，DSP通过访问DPRAM得到接收的串口数据。
    DPRAM指一个存储模块却包含两个独立的端口，这两个端口共用同一块地址空间，两个端口都可以向这块空间里写数据或从中读取数据。DPRAM的读写数据的模式包括只读、只写、读写三种模式，其中读写模式又包括先写后读、先读后写、只写不读三种模式，我们采用先读后写的模式。
    我们将DPRAM的地址空间分为四部分，分别用来存放四个通道的数据。当FPGA收到数据时，我们可以根据置通道标志寄存器CS[2：0]的值来判断该数据来自哪个通道，将其存入对应的地址空间，并将该通道对应地址线加一。当该通道存储数据量达到编程设置的触发深度时，就将DSP中断寄存器dspint置低，向DSP发送中断；同时向DPRAM内一事先定义好的公共存储空间写入通道标志字。当DSP收到中断后，首先访问该公共存储区读取通道标志字，判断该中断是由哪个通道产生的；然后调用相应的接收函数从DPRAM内读取该通道的数据存入指定的地址空间等待处理。
3．2 读串口数据状态机的设计
    一个完整的读取串口数据操作需要进行三次读操作：读中断状态寄存器(ISR)、读线状态寄存器(LSR)、读接收保存寄存器(RHR)。由于这三次读操作具有严格的逻辑顺序和时序关系，非常适合采用状态机来描述；所以本设计采用有限状态机来实现读取串口数据。图2为读通道A数据的状态转移图。 

    State0：空闲状态，当没有数据时状态机一直停留在空闲状态；
    State 1：赋IsR寄存器地址给UART_A，置通道标志寄存器CS[2：O]=001(表示A通道)；
    State2：读ISR，判断中断类型(04为接受数据准备好中断)，赋LSR寄存器地址给UART、A；
    State3：读LSR，判断是否有数据(LSR[0]=1表示有数据在RHR内)，赋RHR寄存器地址给UART A；
    State4：读RHR，读取串口数据。
    多通道工作时，可以通过增加状态机状态来实现。完成一个通道的读数操作需要四个状态，当四个通道同时工作时，状态机的状态需要增加到17个。其中Stare5~State8完成对通道B的操作；其中State9~State12完成对通道C的操作；其中State13~State16完成对通道D的操作。
3．3 读时序设计
    SC16C554的通用读时序图如下：

    其中t6s=0ns t6h=0ns t7h=0ns t7d=10ns t7w=26nst9d=20ns t12h=15ns都为最小值，t12d max=26ns由图3可以看出：对串口进行一次读操作所需的时间T=t6s+t7d+t7w+t9d所以T最小为56ns。本设计采用60MHz时钟分频出10MHz时钟，在一个1OMHz时钟周期(100ns)内完成一次读操作。用6 0 MH z时钟同步一个计数器cscount[2：0]，在第一个6 0MH z时钟的上升沿(cs_count=3’b000时)置CS为低，并赋对应的地址给UART A；在第二个60MHz时钟的上升沿(cs_cout=3’b001时)置UART IOR为低；在第四个60MHz时钟的上升沿(cs_count=3’b011时)置CS、UART IOR为高。这样UART IOR有效时间为两个时钟周期(33ns)，且比CS延时一个时钟周期(17ns)，完全满足图3读时序的要求。
    由图2可知，由空闲状态State0到完成一次串口数据的读取，共需要500ns的时间。这样多通道工作时连续完成四个通道的读数操作共需2μs，远小于单个通道连续两个中断产生的时间间隔65μs；这样有效解决了多通道工作时，当读取数据的过程中其它通道中断丢失的问题。如：当读通道A数据的过程中，通道B产生中断请求；则状态机完成通道A数据读取返回到空闲状态State0，检测到INTB为高，状态机进入下一个状态(State5)进行通道B的数据接收。

4 测试结果及分析
    我们分别对两种方案进行了测试，结果如下：表2为完全基于DSP接收和发送数据的通信性能测试；表3为基于FPGA接收串口数据的通信性能测试。

    波特率发送周期数据长度测试结果
    比较两种方案的测试结果可以得出以下结论：
    1单通道工作时：两种方案的通信性能是一样的。
    2多通道同时工作时：由表2测试结果可以看出，每次发送的数据量过大、或发送周期较小时，由于DSP对串口芯片中断请求的处理速度问题就会造成数据丢失。由表3测试结果可以看出，四通道工作时，发送数据长度为64字节，通道发送周期最小可达10ms；如果发送数据长度减小，通道发送周期还可以更小。该设计性能远远好于方案改进前完全基于DSP接收和发送数据的性能；能满足系统实际工作的需要。

5 结束语
    基于FPGA接收数据的设计有两个突出的优点：1、极大提高了对串口中断的响应速度，避免了多通道工作、完全基于DSP接收和发送数据时数据大量丢失的情况；2、完全可编程设置DSP中断产生条件，解决了原来串口芯片只有1、4、8、14字节四个触发深度的限制，可编程设置存储空间范围内的任意字节的触发深度，大大减少了DSP的中断数量，提高了DSP的工作效率。另外程序具有较强的可移植性，当设计需要修改时，只需修改少量代码，有效降低了设计周期。