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顶层模块:完成下层各个模块信号连接,根据不同的地址处理好数据和标志传送,收发器的选择等问题。
吴霞,女,硕士,研究方向:单片机及信息处理. 张多英,男,硕士,副教授,研究方向 :信号和信息处理
中断管理模块:储存并管理各个收发器模块的标志位,如果某收发器有中断请求则定时向单片机发出中断信号。收发器模块:完成数据格式的转换及数据的接收和发送,对接收到的数据进行缓存,最多可以缓存 8个字节的数据。地址寄存器模块:在地址锁存允许位下降沿时将地址保存起来。此模块已放到顶层模块里[2]。
2.2 芯片与单片机连接
芯片设计的目的是为拓展单片机串口,所以如何与单片机联合工作显得至关重要。图 2a是连接的示意图(右边为所设计的芯片,只标明了跟单片机相连的引脚及一个收发器模块的输入输出引脚)。
4.4测试结果及分析
上面已经对各模块的各种功能进行了很多测试,为了更好地验证所设计的芯片在实际中使用的可靠性,我们有必要进行一次总体的测试,本次仿真测试共包括单片机 5次读标志,4次提取数据,1
次发送数据。测试结果及分析如下图 5g所示:
测试结果我们还可以看到:1)芯片各收发器模块可以同时工作 2)发送与接收可以同时进行 3)接收缓存正常,并且在接收数据不足 8字节超时后时会自动停止缓存,然后向芯片中断管理模块提出中断请求 4)中断信号能够正常输出 5)各收发器的中断请求无遗漏 6)收发器模块的数据被读取完毕之后,中断标志自动清除,芯片不再发出中断请求信号。
5 结 论
本文设计了一种实现高效多串口单一中断源的芯片。本设计的功能特点:在中断管理方面,利用单一的中断源来管理多个扩展串口,并保证多个串口中断的无漏检测与服务;在数据传送方面,实现串行数据的接收和发送,并且按照数据传送是否有奇偶校验位分为两种工作模式,在接收时具有数据缓存的功能。并且上述各个功能模块在单一的可编程逻辑器件芯片就能实现。
上述整个过程设计均采用 VHDL编程实现,比以往电路手工设计的方法更加灵活,具有比较大的发展空间。文中分别利用 ModelSim和 ISE对程序进行仿真和综合布线,在仿真平台上验证了设计的可行性,具有较好的应用前景。
本文作者创新点:多串口单一中断源的芯片,利用单一的中断源来管理多个扩展串口,各个功能模块在单一的可编程逻辑器件芯片就能实现。
参考文献:
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[2]张毅刚.新编 Mcs-51单片机应用设计.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2003.65-73
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[6]孙航.xilinix可编程逻辑器件的高级应用与设计技巧.北京:电子工业出版社,2004.46-70
[7]吴穹等.利用 TL16C554实现多路串口通信.航空电子技术,2005.36(3):33-35
[8]刘小芳,曾黄麟等.单片机的多串口扩展技术的设计.计算机测量与控制,2004,12(11): 1088-1090
[9]朱明程,董尔令.FPGA技术的最新发展综述.电工教学,1996,18(4):56-58
地址锁存模块在 ale信号(单片机地址锁存允许信号)到来时将地址低 8位锁存起来,并送给中断控制和上层模块使用[6]。
3.5芯片端口
上述几个模块合成后的芯片外观及其端口特征描述如下图 3所示: 1、set_mode(0,1):两位信号输入引脚,用于模式的选择,模式 1和模式 2分别用 01和 10来选择。2、ale:地址锁存允许信号输入引脚,与单片机的 ale相连,在 ale下降沿的时候将地址低 8位锁存到地址锁存模块。3、clk:时钟信号输入引脚,时钟的频率定为串行数据传输频率的 4倍,如串行通信的波特率是
9600bps,则 clk的频率是 9600×4=38400Hz。
4、cs:芯片总片选信号输入引脚,低电平有效。
5、rd,wr:单片机向芯片读写的控制引脚,低电平有效。
6、rxd1,rxd2,rxd3,rxd4:串行输入引脚。
7、INT0:中断信号输出引脚,下降沿有效。
8、odd_check1_o,odd_check2_o,odd_check3_o,odd_check4_o:送给单片机的奇偶校验标志信号输出引脚。
9、rdfull:数据缓冲器标志信号输出引脚,该信号用‘1’和‘0’表明是否有收发器的缓存了数据尚未被提取。
10、rdrdy1,rdrdy2,rdrdy3,rdrdy4:引脚分别用于表明各个收发器是否正忙,从该收发器开始接收数据到数据被单片机读取整个过程,其相应的rdrdy引脚输出‘1’。
11、txd1,txd2,txd3,txd4:串行数据输出引脚。
12、tdempty:该引脚输出为‘1’时表明芯片已没有正在发送或者是将要发送的数据。
13、txrdy1,txrdy2,txrdy3,txrdy4:分别为收发器 1、2、3和 4可否进行发送控制输入端,输入为‘1’表示可以进行串行数据的发送。
14、d_inout(7:0):双向数据总线。应与单片机 p0口相连。
15、addr_h(7:0):地址高 8位。
4程序的综合及仿真
4.1 设计综合及实现
本设计综合使用的工具是 Xilinx公司的 XST,它是内嵌在 ISE7.2i里面的。综合过程将把软件设计的 HDL描述与硬件结构挂钩,是将软件转化为硬件电路的关键步骤 [7-9]。本设计综合时选用的芯片是Spartan-ⅡE系列的xc2s100e。
综合工具生成网表文件后,就可以实现设计,实现的步骤有:转换(将多个设计文件合并为一个网表),映射(将网表中的逻辑符号(门)整合到物理元件中),布局布线(将元件放到器件中,并将它们连接起来,同时提取出时序数据,并生成各种报告)。
4.2 综合布线结果及分析
图 4为资源利用结果图表,由图可见,slices的占用量为 722个,占该芯片 slices总数的 60%。slice registers的使用数量为 591个,占该芯片总数的 24%。4输入查找表的使用总量是 915个,占该芯片查找表总数的 38%。
4.3 布线后仿真
本文中所举出的测试均为布线后的仿真测试,该仿真的仿真延时文件包含的延时信息最全,不仅包含了门延时,还包含了实际布线延时,所以布局布线后仿真最准确,能够较好的反映芯片的实际工作情况。
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