在工业控制中，设备的通讯与控制主要采用简洁高效的串口方式进行。工控机通过PCI扩展卡方式进行串口的扩展，或采用电路复杂的扩展芯片实现串口扩展。随着嵌入式技术发展，嵌入式系统的应用逐步代替了成本高昂的工业控制计算机。为了简化硬件电路的设计，降低系统成本，本文提出了一种基于CPLD/FPGA多串口扩展的方案，实现多个外设串口的扩展和管理，同时解决一对多的串口通讯可靠性问题，满足嵌入式系统串口扩展的需求。

1 系统结构

本设计以CPLD/FPGA芯片为核心，在芯片内部通过设计、编程实现并行总线接口到多个串行口的扩展。设计的多串口扩展包括并行总线接口、4路接收缓冲器、4路发送器、波特率发生器和UART接口。为实现高速嵌入式CPU与RS232通讯设备之间的速度匹配，充分利用嵌入式系统的实时性，在每个接收缓冲器中开辟了8个接收缓冲单元。在实际应用中，可根据嵌入式系统扩展的需要，灵活增减串口数量以及接收缓冲单元个数。在通讯过程，波特率发生器的时钟信号由外部有源晶振提供，选择合适的晶振频率即可获得高性能的数据传输。系统结构如图1所示。

2 功能模块设计

2.1 接收缓冲模块

2.1.1 接收缓冲模块构架

在设计过程中，为便于串口扩展功能的实现，将功能相似的部件进行了集成。本设计以4路UART接口扩展为例，接收缓冲部分包含了4个独立的接收缓冲器，其结构如图2所示。接收缓冲器共用clk时钟信号，并将其作为串行数据接收的波特率；每个接收缓冲器均有单独的rxd、bf、cs引脚，其功能分别为：串行数据输入、接收缓冲器储存状态、接收缓冲器片选。各接收缓冲器的片选端分别与2-4译码器的输出脚相连。译码器的输入端构成了4路接收缓冲器选择的地址线，分别对应a3、a4脚；结构图中数据总线d0～d7、读缓冲端rd、缓冲储存状态清‘0’端clr和缓冲单元地址线a0～a2为共用信号端口，分别与4个接收缓冲器相连。

2.1.2 接收缓冲器内部结构

接收缓冲器内部由RXD接收器、地址及写控制器和双端口RAM构成，如图3所示。

1)RXD接收器

RXD接收器的作用是接收串行设备发送的数据。clk脚引入波特率时钟后，程序首先检测串行数据输入脚rxd的电平，当检测到rxd脚电平为‘0’即串行数据的开始信号后，接收器开始接收数据。连续接收8位数据后，接收到的数据将被送至d0～d7端，同时reg_flag端产生一个负脉冲信号，触发写控制器的ad_cnt端，写控制器的地址线加‘1’并同时产生双端口RAM的写操作信号，完成接收数据的存储。

接收时，clk时钟为波特率的16倍，clk信号8分频后即串行数据位的周期的中间位置检测rxd脚电平状态，以保证串行数据准确地接收，累计计数至16分频时完成一位数据的接收。连续接收8位数据后，并判断第9位状态为‘1’时(停止位)，完成一个字节的接收。RXD接收器的程序如下：

2)写控制器

写控制器的ad_cnt端接收到RXD接收器的reg_flag负脉冲信号后，对地址寄存器进行加‘1’操作，并将新的地址状态送至双端口RAM的地址总线a0～a2。同时，reg_flag负脉冲触发写控制器对clk时钟计数，向双端口RAM产生cs片选信号和wr写控制信号，将RXD接收器d0～d7的数据写入双端口RAM地址线所对应的存储单元中。

3)双端口RAM

通过一系列时序信号的组合，RXD接收器接收的数据将暂存到双端口RAM中。本设计中，双端口RAM直接调用的Quartus8.0存储器子库中的LPM_RAM_DP元件。

2.2 发送模块

发送部分由4路并行的TXD发送器、2-4译码器和4输入或门组成，如图4所示。4路TXD发送器共用时钟信号clk、数据端d0～d7、发送启动端load；每个发送器均有单独sf、cs、txd引脚，其功能分别为：发送状态标志、TXD发送器选择、串行数据输出。TXD发送器的cs端分别与2-4译码器的输出脚相连，译码器的输入端a0～a1即构成发送部分的地址线；发送器的sf端经过4输入或门输出，构成发送部分的发送状态标志。

在通讯过程中，load脚接收到CPU的控制信号后，根据地址线a0～a1的组合选择相应的TXD发送器，将数据总线d0～d7上的数据通过txd脚逐位输出，通过串行总线发送至接收设备。一个字节发送完成后，发送状态端sf置‘0’，CPU可检测sf端的电平状态，以判断数据是否发送完成，也可以利用sf引脚的状态触发CPU中断，完成多个数据的连续发送。发送器的程序与接收器相匹配，在此不再阐述。

2.3 波特率发生器

UART的接收和发送按照相同的波特率进行数据传送。波特率发生器分别给接收部分和发送部分提供时钟信号，并且接收的波特率时钟是发送的16倍，利用16倍波特率时钟对串行数据进行高速采样，以确保接收数据的准确性。为实现与不同传输速率的串行设备通信，波特率发生器对系统时钟进行不同系数的分频，根据CPU控制线的组合可分别产生4800bit/s、9600bit/s、19200bit/s、38400bit/s等多种波特率。

3 仿真与实现
    本串口扩展器通过VHDL编程，在Ouartus8.0下进行了仿真。由于仿真信号较多，仅对关键部件的信号进行分析。图5给出了RXD接收器仿真波形。在测试过程中，首先确定通信的波特率为19 200 bit/s，即RXD接收器CLK时钟为波特率的16倍，发送设备通过串行总线向RXD接收器发送F1H，当RXD接收器完成数据的接收后，立即将数据送至数据总线d0～d7，仿真结果如图5所示。

给写控制器的ad_cnt端输入地址计数脉冲，地址线a0～a2进行加‘1’操作，片选线cs和写操作端wr根据CLK时钟信号相应输出低电平，完成接收数据的写存储。连续存储8个字节后，缓冲器状态标志bf置‘1’。将clr端输入低电平，bf标志清‘0’，同时地址线a0～a2回到“000”状态。写控制器的仿真结果如图6所示。

给TXD发送器的数据总线d0～d7输入AAH，通过串行总线发送至接收设备。load端置‘0’，启动发送。发送完成后，sf标志清‘0’。检查接收设备的接收值，与发送数据完全匹配。TXD发送器的波形仿真结果如图7所示。

4 结束语

本文详细介绍了CPLD/FPGA多串口设计的内部构成，对各个模块的工作原理和关键信号进行了分析，给出了EDA软件仿真形波和测试结果。通过对FPGA/CPLD多串口的设计与实现，为嵌入式系统中串口的扩展提供了一定的帮助。