基于FPGA与MCU的多串口通信接口设计与实现

摘要

现代企业对终端设备的数量使用的迅速增加，催生集中管理机制KVM技术的诞生，KVM即为英文键盘(Keyboard)，显示器(Video)与鼠标(Mouse)首字母合写，KVM系统可以通过一套鼠标，显示器和键盘管理多台终端设备，有效提高管理效率。
　　本课题基于FPGA与MCU的多串口通信系统的接口设计是KVM技术的重要组成部分，将KVM系统外设终端的视频信号和键鼠信号调制通过CAT5电缆实现低成本远距离传输，再通过MCU和FPGA相结合的方法实现KVM系统同时与多个外设终端实时进行通信显示的要求。研究内容包括基于FPGA的UART软核设计、基于FPGA的随屏显示设计、基于FPGA与MCU的串口扩展方法以及键鼠信号、视频信号调制的相关硬件电路设计。
　　相较专用UART芯片，基于FPGA设计的UART软核有更强的适用性和可移植性，本课题针对这个特点，设计了适用于KVM系统的具有波特率可调，奇偶可检校等功能的UART软核，采用自顶向下的设计方法，将UART软核分为若干模块应用硬件描述语言VHDL进行具体设计，再使用MCU对软核进行调用以实现多串口扩展，并应用于KVM系统实现。
　　通过软件仿真以及系统联调，实验结果表明本设计的多串口通信系统可以满足设计要求。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题来源及研究意义

1．2 课题研究现状及相关技术概况

1．2．1 KVM发展现状

1．2．2 FPGA技术及其发展现状

1．2．3 IP复用技术

1．2．4 单片机及其发展现状

1．3 本文的章节安排和主要内容

2 KVM串行通信系统总体设计

2．1 通信系统设计需求分析

2．2 KVM通信相关技术

2．2．1 串行通信的基本概念

2．2．2 VGA信号远距离传输

2．2．3 FPGA结构及选型分析

2．2．4 MCU选型分析

2．3 系统硬件电路设计

2．3．1 USB接口电路扩展

2．3．2 电源转换电路设计

2．3．3 时钟电路设计

2．3．4 复位系统设计

2．3．5 电平转换电路设计

2．3．6 外围电路设计

2．3．7 VGA信号远距离传输系统设计

3 UART软核设计

3．1 UART软核的设计要求及方法

3．1．1 波特率发生器模块

3．1．2 发送模块

3．1．3 接收模块

3．2 UART软核

3．3 软核测试

3．4 UART软核生成

4 KVM多串口通信接口及视频字符叠加设计

4．1 PLL core的调用

4．2 多串口顶层设计

4．2．1 顶层波特率发生部分

4．2．2 顶层发送部分设计

4．2．3 顶层接收部分设计

4．3 多UART寄存器资源分配

4．4 多UART整体仿真

4．5 通道信息VGA显示

4．5．1 串口接收模块设计

4．5．2 字符显示格式

4．5．3 字符显示模块设计

5 多串口通信实现

5．1 时序分析

5．2 硬件实现与测试

6 总结和展望

致谢

参考文献