在异步串行通信中，能准确的把时钟信息提取出来是后面正确进行数据解调的的保证。下面以4倍过采样为例介绍边沿提取的Verilog程序。由于利用本地异步时钟对接收信号进行采样，会带来亚稳态等不确定因素，因此在采样前需要对被采样信号进行同步化。同步化的结果可以较好的消除亚稳态影响，但对于像glitch（短脉冲干扰）等噪声却不能很好的免疫，当glitch的脉冲宽度可以与过采的时钟相比拟时，glitch信号可能会得到有效的传播，严重影响数据解调效果。对于这个问题我们会在专门的文章中讲解。
1.采样信号同步化
采样信号同步化，一般是利用本地时钟对接收信号采样（寄存器时钟锁存）以消除亚稳态的影响，建议对被采样信号做两级锁存，最低要求也要做一级锁存。
接收信号同步化程序如下：
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module sync_rx ( input loc_clk, //本地时钟，与rx是异步时钟的关系 input rx, output reg sync_rx, //与时钟同步后的信号 output reg nsync_rx, //反相同步信号 input rst ); reg rx_r; always@(posedge loc_clk or posedge rst) if(rst) begin rx_r <= 0; sync_rx <= 0; nsync_rx <= 0; //或者nsync_rx <=1'b1; 根据需要 end else begin rx_r <= rx; //first level registered; sync_rx <= rx_r; //second level registered; nsync_rx <= ~rx_r; //inversed second level registered signal; end endmodule |
上例中输出了两个与loc_clk同步的信号，分别为sync_rx及反相的nsync_rx。
2.上升沿单脉冲提取
方法1 ：逻辑电路实现
同步化后的信号如果上一次的采样为0，本次采样为1，则可以得到上升沿的脉冲。上升沿单脉冲提取程序如下：
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module rising_pulse ( input loc_clk, input rx, output reg rx_rising_pulse, input rst ); reg rx_r; reg nsync_rx; always@(posedge loc_clk or posedge rst) if(rst) begin rx_r <= 0; nsync_rx <= 0; rx_rising_pulse <= 0; end else begin rx_r <= rx; //first level registered ; nsync_rx <= ~rx_r; //second level registered ; rx_rising_pulse <= rx_r & nsync_rx; end endmodule |
仿真程序 tb_rising_pulse.v 如下：
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`timescale 1 ns / 1 ps module tb_rising_pulse ( ); parameter PERIOD = 10 ; //周期10 ns reg inclk = 0; initial begin inclk = 1'b0; #(PERIOD/2); forever #(PERIOD/2) inclk = ~inclk; end reg rst; reg rx; wire rx_rising_pulse; initial begin rst = 1; rx = 0; #2 rx = 1'b0; #10 rst = 0; #10 rx = 0; #40 rx = 1; #80 rx = 0; #120 rx = 1; #40 rx = 0; #80 rx = 0; #160 rx = 1; #40 rx = 0; $stop; end rising_pulse rising_pulse_inst ( .loc_clk (inclk), .rx (rx), .rx_rising_pulse (rx_rising_pulse), .rst (rst) ); endmodule |
仿真波形如图1所示：
图1
图1中的波形可以看出，nsync_rx是rx_r的取反锁存，时间上之后rx_r一个过采样时钟，因此二者相与即可得到一个过采样时钟宽度的单脉冲信号。
由于rx_r仅一次锁存就参与了运算，对亚稳态的消除不够理想，因此上述代码也可以再加一级寄存器，修改的程序如下，
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module rising_pulse ( input loc_clk, input rx, output reg rx_rising_pulse, input rst ); reg rx_r; reg rx_rr; reg nsync_rrx; always@(posedge loc_clk or posedge rst) if(rst) begin rx_r <= 0; rx_rr <= 0; nsync_rrx <= 0; rx_rising_pulse <= 0; end else begin rx_r <= rx; //first level registered ; rx_rr <= rx_r; //second level registered ; nsync_rx <= ~rx_rr; //inverted registered ; rx_rising_pulse <= rx_rr & nsync_rx; //rising edge pulse; end endmodule |
方法2 ：移位寄存器相邻位为2’b01
相同的功能还可以用更容易理解的方式实现，即采用if语句判断前一个时钟采样为低电平，后一个时钟采样为高电平就可以得到上升沿单脉冲信号。
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module rising_pulse_1 ( input loc_clk, input rx, output reg rx_rising_pulse, input rst ); reg [2:0] rx_r; always@(posedge loc_clk or posedge rst) if(rst) begin rx_r <= 0; rx_rising_pulse <= 0; end else begin rx_r <= {rx_r[1:0], rx}; //left shift register; if(rx_r[2:1] == 2'b01) rx_rising_pulse <= 1'b1; //rising edge pulse; else rx_rising_pulse <= 1'b0; end endmodule |
上例利用了移位寄存器的方式实现亚稳态的消除，在if语句中使用了rx_r[2:1]，rx_r[2]和rx_r[1]都是经过两级或两级以上本地时钟锁存的寄存器，对于亚稳态的消除有理想的效果。由于移位寄存器的原因，当前时刻rx_r等于2’b01时，下一时刻无论rx_r[0]为0还是为1，rx_r[2:1]更新后都不可能再为2’b01，因此rx_rising_pulse只能维持一个时钟宽度的脉冲。
3. 下降沿脉冲提取
下降沿的分析原理与上升沿非常类似，仅作非常简单分析，后面给出实现实例
方法1：逻辑电路法
逻辑电路如图2，
图2
verilog程序如下：
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module falling_pulse ( input loc_clk, input rx, output reg rx_falling_pulse, input rst ); reg rx_r; reg nrx_r; reg nrx_rr; always@(posedge loc_clk or posedge rst) if(rst) begin rx_r <= 0; nrx_r <= 0; nrx_rr <= 0; rx_falling_pulse <= 0; end else begin rx_r <= rx; //left shift register; nrx_r <= ~rx_r; nnrx_r <= ~nrx_r; rx_falling_pulse <= nrx_r & nnrx_r; //falling edge pulse; end endmodule |
方法2：移位寄存器法
直接利用if语句判断上寄存器rx_r[2:1]是否为2’b10（一个时钟为高电平，下一个时钟为低电平），来设置下降沿信号rx_falling_pulse, 程序如下，
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module falling_pulse_shift ( input loc_clk, input rx, output reg rx_falling_pulse, input rst ); reg [2:0] rx_r; always@(posedge loc_clk or posedge rst) if(rst) begin rx_r <= 0; rx_falling_pulse <= 0; end else begin rx_r <= {rx_r[1:0], rx}; //left shift register; if(rx_r[2:1] == 2'b10) rx_falling_pulse <= 1'b1; //falling edge pulse; else rx_falling_pulse <= 1'b0; end endmodule |
4. 双边沿提取
双边沿提取就是将上升沿与下降沿的提取合并，可以将上述程序合并提取，但如果只想获得双边沿，而不区分双边沿的中的上升沿还是下降沿，可以用异或的方式实现。程序如下，
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module dual_edge_pulse_shift ( input loc_clk, input rx, output reg rx_dual_edge_pulse, input rst ); reg [2:0] rx_r; always@(posedge loc_clk or posedge rst) if(rst) begin rx_r <= 0; rx_dual_edge_pulse <= 0; end else begin rx_r <= {rx_r[1:0], rx}; //left shift register; rx_dual_edge_pulse <= rx_r[2] ^ rx_r[1]; //dual edge pulse; end endmodule |
边沿提取对于异步采样的同步化具有非常重要的意义，下节内容将介绍位同步信号提取。