基于FPGA的PCI总线串口卡设计

随着计算机测试技术的飞速发展，越来越多的外部设备通过串口与计算机进行通信，实现信息共享以及设备的集中控制和管理。利用串口进行通信具有结构简单、传输距离远、成本低廉等优点，被广泛应用于各个领域[1]。同时，PCI(Peripheral Component Interconnect)总线是一种高性能32/64位局部总线，最大数据传输速率为132 Mb/s，可同时支持多组外设，数据吞吐量大，是目前应用最广泛、最流行的一种高速同步总线[2]。因此，利用PCI总线实现上位机与外部设备的串口通信，可以提高通信能力。
　由于大部分I/O 设备没有PCI总线功能，要实现设备与PCI总线的连接，需要PCI接口芯片、通用异步收发器UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)等。而目前开发PCI总线与外部设备的串口通信大体上有两种方式：(1)使用专用的芯片，如：PCI专用接口芯片S5920、S5933等；UART专用芯片8250、8251、16450、16550等。使用厂家提供的专用接口芯片，用户可能只使用到它的部分功能，会造成一定的资源浪费，而且专用芯片价格高。(2)使用可编程器件FPGA。使用FPGA较使用专用芯片具有以下优点：一方面用户可以根据需要进行设计，不会浪费资源；另一方面可以将PCI接口、UART都做在一片FPGA内，这样就不需要外接专门的芯片，简化了电路、缩小了体积、提高了系统的可靠性。
1系统硬件设计
　本设计中选用Altera公司的FPGA芯片EP1C6SQ240作为核心器件，完成PCI接口以及UART的设计，实现PCI总线与串口的连接。选用美信公司的MAX490芯片作为电平转换电路。系统的硬件连接框图如图1所示。

　数据传输过程：上位机通过PCI总线发送并行数据到UART的数据缓存器中，然后数据经UART的数据缓存器进入UART的移位寄存器进行并串转换后，通过串口传到下位机。反之，下位机通过串口将数据传送到UART的移位寄存器中，进行串并转换，然后进入UART的数据缓存器中，最后传到上位机。
　设计中采用，传输距离长、抗干扰能力强的RS422串口。但是规定RS422:逻辑1的电平为-6 V～-2 V；逻辑0的电平为+2 V～+6 V。而FPGA的I/O电平一般为0～3.3 V，二者之间的电平不兼容。为了使二者之间的供电电压保持一致，必须加入电平转换电路。为此选用美信公司的MAX490芯片来实现二者之间的电平转换，其电路原理图如图2所示。

1.1 PCI总线接口
　PCI总线接口的功能是将一个不支持 PCI 协议的后端设备接口到PCI 总线上。为了实现PCI总线接口的基本功能，必须完成如下模块的设计：PCI空间配置模块、偶校验模块、地址译码和命令译码模块、设备状态机模块等。PCI总线接口原理框图如图3所示。