FPGA单片机带你领略如何实现多机串行通信网络

图3 FPGA内部功能模块示意图

FPGA内部共有16对读/写和数据总线，分别连接UART和相应的发送缓冲区RAM及接收缓冲区RAM。

FPGA内部模块采用自顶向下的设计方法，将复杂系统划分为简单系统，然后通过逻辑和接口设计实现各个模块功能。SRAM控制器用于FPGA和C8051F020的接口，负责内部RAM的读写控制。UART负责接收从单片机上传的串行信号，将其并行化后存入接收数据缓冲RAM;另外也负责将发送缓冲RAM中的数据转换成符合RS232协议规范的串行信号发送给从单片机。SRAM控制器和UART模块同样采用自顶向下的方式实现，关于SRAM控制器及UART的FPGA实现方案在参考文献中有详细的论述[56]，本文不再介绍。

FPGA内部系统采用同步有限状态机(FSM)的设计方法实现，FSM负责调配各功能模块之间的协作。状态机采用独热(onehot)编码，使电路的可靠性和速度有显著的提高。系统状态转移图如图4所示。

图4 有限状态机状态转移图

2.3 通信协议设计

主单片机和上位机的通信速率及FPGA和从单片机的通信速率均设置为38.4 Kbps，可以更精确的控制主单片机与各个从单片机之间的通信时间。通信指令由报头、设备类型、设备号、命令号、命令数据、校验等字段组成。报头用于通知单片机开始串行通信，设备类型和设备号用于将指令正确传达到相应的设备，命令号用于通知单片机指令，命令数据用于通知单片机具体的功能，校验则采用CRC校验以保证通信的准确性。写入控制命令号为00H，读取命令号为01H，读取指令命令数据为0字节。通信指令的帧格式如下：

单片机接收到控制命令后,如果接收正确，返回00H，若错误则返回01H。返回帧格式为:

读取指令没有命令数据,帧格式为:

接收后单片机返回帧格式为:

结语

本文介绍了在FPGA上集成多个UART的方法，并以此为基础搭建了一个多单片机通信网络。设计中采用FPGA作为串行接口扩展器件与传统器件相比具有功能灵活、扩展性好的特点。通过实验证明，该通信网络相对于传统的总线拓扑网络具有速度快、实时性好的特点，同时该网络可以根据外设需要随意扩展，非常适合应用于监督计算机控制系统和集散控制网络。