طراحی فرستنده UART در FPGA

طراحی فرستنده UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) در FPGA، یکی از رایج‌ترین و بنیادی‌ترین مباحث در مهندسی دیجیتال و سیستم‌های امبدد است. این فرستنده، مسئول تبدیل داده‌های موازی از داخل FPGA به یک جریان بیت سریال برای ارسال به دستگاه‌های خارجی یا سایر ماژول‌های دیجیتال است. پروتکل UART به دلیل سادگی و کارایی، به طور گسترده‌ای در ارتباطات سریال ناهمگام استفاده می‌شود.

نقش و اهمیت فرستنده UART در FPGA

FPGA‌ها، به عنوان پلتفرم‌های سخت‌افزاری انعطاف‌پذیر، قابلیت پیاده‌سازی پروتکل‌های ارتباطی سفارشی یا استاندارد را فراهم می‌کنند. یک فرستنده UART، امکان برقراری ارتباط با طیف وسیعی از دستگاه‌ها مانند میکروکنترلرها، سنسورها، ماژول‌های GPS، و ماژول‌های رادیویی (RF) را از طریق یک خط سریال ساده فراهم می‌کند. این امر در کاربردهایی که نیاز به تبادل داده بین FPGA و سایر اجزای سیستم وجود دارد، حیاتی است.

اجزای کلیدی فرستنده UART در FPGA

برای طراحی یک فرستنده UART کارآمد در FPGA، معمولاً سه بلوک اصلی با یکدیگر همکاری می‌کنند:

1. ژنراتور نرخ باود (Baud Rate Generator)

این بلوک قلب زمان‌بندی فرستنده است. وظیفه آن تولید پالس‌های دقیق و منظم (معروف به baud_tick یا bit_tick) با فرکانس مشخصی است که نرخ ارسال بیت‌ها (Baud Rate) را تعیین می‌کند. این پالس‌ها نشان‌دهنده لحظه دقیق ارسال هر بیت داده روی خط سریال هستند.

پیاده‌سازی آن معمولاً شامل یک شمارنده است که کلاک سیستم (با فرکانس بالا) را بر یک مقدار از پیش تعیین‌شده تقسیم می‌کند تا پالس‌های baud_tick با فرکانس مطلوب تولید شوند. دقت این ژنراتور برای جلوگیری از خطاهای ارتباطی حیاتی است، زیرا هرگونه انحراف می‌تواند منجر به نمونه‌برداری نادرست داده‌ها در سمت گیرنده شود.

2. رجیستر شیفت (Shift Register)

پس از دریافت داده‌های موازی از منطق داخلی FPGA، رجیستر شیفت مسئول ذخیره‌سازی موقت و سپس تبدیل این داده‌ها به فرمت سریال است. این رجیستر، فریم کامل UART (شامل بیت شروع، بیت‌های داده، بیت توازن و بیت توقف) را نگه می‌دارد. در هر پالس baud_tick، یک بیت از این فریم به صورت ترتیبی از طریق خروجی سریال (uart_tx_out) ارسال می‌شود. این فرایند تا زمانی ادامه می‌یابد که تمامی بیت‌های فریم ارسال شوند.

3. ماشین حالت محدود (Finite State Machine - FSM)

FSM مغز کنترل‌کننده فرستنده UART است. این بلوک تمامی مراحل ارسال یک فریم داده را مدیریت می‌کند، از لحظه آماده‌سازی داده تا پایان ارسال آخرین بیت. FSM به صورت گام به گام، حالت‌های مختلف را تغییر می‌دهد و سیگنال‌های کنترلی لازم را برای ژنراتور نرخ باود و رجیستر شیفت صادر می‌کند. حالت‌های اصلی یک FSM فرستنده UART عبارتند از:

• IDLE (حالت بیکاری): فرستنده در انتظار داده برای ارسال است و خط سریال در حالت High (منطق ۱) قرار دارد.
• START_BIT (بیت شروع): پس از دریافت دستور ارسال، FSM به این حالت رفته و بیت شروع (منطق ۰) را برای یک دوره baud_tick ارسال می‌کند.
• DATA_BITS (بیت‌های داده): FSM در این حالت، بیت‌های داده را یک به یک (معمولاً از LSB) برای تعداد دوره‌های baud_tick از پیش تعیین‌شده ارسال می‌کند.
• PARITY_BIT (بیت توازن - اختیاری): اگر پیکربندی شامل بیت توازن باشد، FSM بیت توازن را ارسال می‌کند.
• STOP_BIT (بیت توقف): پس از ارسال تمامی داده‌ها و بیت توازن (در صورت وجود)، FSM بیت توقف (منطق ۱) را برای یک یا چند دوره baud_tick ارسال می‌کند و سپس به حالت IDLE بازمی‌گردد.

فرمت فریم UART

یک فریم UART از بخش‌های مشخصی تشکیل شده است که باید در زمان‌بندی دقیق توسط فرستنده تولید شوند:

• بیت شروع (Start Bit): همیشه 0 است و آغاز انتقال داده را نشان می‌دهد.
• بیت‌های داده (Data Bits): معمولاً 5 تا 9 بیت داده که اطلاعات واقعی را حمل می‌کنند. ترتیب ارسال آن‌ها معمولاً از کم‌ارزش‌ترین بیت (LSB) به پرارزش‌ترین بیت (MSB) است.
• بیت توازن (Parity Bit): یک بیت اختیاری برای تشخیص خطاهای ساده در طول انتقال. می‌تواند زوج (Even) یا فرد (Odd) باشد.
• بیت توقف (Stop Bit): همیشه 1 است و نشان‌دهنده پایان یک فریم داده. می‌تواند 1، 1.5 یا 2 بیت باشد.
• حالت بیکاری (Idle State): زمانی که داده‌ای ارسال نمی‌شود، خط سریال در حالت High (منطق 1) قرار دارد.

ملاحظات طراحی و پیاده‌سازی در FPGA

• دقت کلاک و نرخ باود: اطمینان از دقت بالای ژنراتور نرخ باود برای هماهنگی صحیح با گیرنده ضروری است. هرگونه عدم تطابق می‌تواند منجر به خطای نمونه‌برداری و داده‌های نادرست شود.
• همگام‌سازی پارامترها: هر دو طرف فرستنده و گیرنده باید از پارامترهای ارتباطی یکسانی (نرخ باود، تعداد بیت داده، نوع توازن، تعداد بیت توقف) استفاده کنند.
• بافر FIFO: برای ارسال جریان پیوسته‌ای از داده‌ها بدون از دست دادن اطلاعات، اغلب یک بافر FIFO (First-In, First-Out) قبل از فرستنده UART قرار داده می‌شود. این بافر، داده‌ها را ذخیره کرده و به فرستنده اجازه می‌دهد تا با سرعت خود، آن‌ها را ارسال کند، بدون اینکه CPU یا سایر ماژول‌ها مجبور به انتظار باشند.
• مدیریت جریان (Flow Control): در برخی موارد، برای جلوگیری از سرریز شدن بافر گیرنده، مکانیسم‌های مدیریت جریان (مانند RTS/CTS) ممکن است پیاده‌سازی شوند، هرچند UART به خودی خود شامل این قابلیت نیست و نیاز به طراحی اضافی دارد.

در مجموع، طراحی فرستنده UART در FPGA یک مهارت اساسی است که امکان ارتباط سریال انعطاف‌پذیر و قابل اعتماد را در سیستم‌های مبتنی بر FPGA فراهم می‌کند و دریچه‌ای به سوی ارتباط با دنیای خارج می‌گشاید.

کلیدواژه ها : پروتکل UART-ارتباط سریال-Serial Communication-ناهمگام-Asynchronous-ژنراتور نرخ باود-Baud Rate Generator-رجیستر شیفت-Shift Register-ماشین حالت محدود-Finite State Machine-FSM-بیت شروع-Start Bit-بیت‌های داده-Data Bits-بیت توازن-Parity Bit-بیت توقف-Stop Bit-نرخ باود-Baud Rate-فریم UART-UART Frame-پلتفرم سخت‌افزاری-Hardware Platform-سیستم‌های امبدد-Embedded Systems-بافر FIFO-FIFO Buffer-مدیریت جریان-Flow Control