2-3-30 基于FPGA实现RS485串口程序收发环路设计

软件版本：VIVADO2021.1

操作系统：WIN10 64bit

硬件平台：适用XILINX A7/K7/Z7/ZU/KU系列FPGA

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1 概述

在前面的课程中，我们已经学习了UART串口程序的设计，在工业场合为了提高串口的抗干扰能力，以及传输距离，RS485/RS422会更加广泛应用。在本文的实验中我们通过调用前面已经编写好的UART收发IP模块，以及FIFO，实现RS485的单工通信测试。其中重点是关于RS485芯片在单工通信方式下的信号控制逻辑设计。

2 RS485硬件电路设计2.1 RS485驱动芯片介绍

SP3485 器件是一款 3.3V 低功耗半双工收发器，符合 RS-485 和 RS-422 串行协议的规范。 SP3485 可以满足 RS-485 和 RS-422 串行协议的电气规范，负载下最高 10Mbps。

PIN	功能	功能描述
1	RO	数据接收输出
2	RE	接收输出使能，低电平有效
3	DE	输出使能，高电平有效
4	DI	数据发送输入
5	GND	地
6	A	同相驱动器输出/接收器输入
7	B	反相驱动器输出/接收器输入
8	VCC	供电

2.2 RS485的应用电路设计

实际设计的时候，把RE和DE接到一起，可以减少一个控制管脚，入下图

发送真值表：

INPUTS			OUTPUTS
RE	DE	DI	B	A
X	1	1	0	1
X	1	0	1	0
0	0	X	High-Z
1	0	X	关闭

可以看到，结合原理图设计：

当DE是高电平，RE是任何值，DI决定了A B的输出电平；

当DE和RE都是0，AB 输出为高阻,这个时候，RO可以作为输入

接收真值表：

INPUTS			OUTPUTS
RE	DE	Va~Vb	RO
0	X	-50mv	1
0	X	-200mv	0
X	X	Open/Shorted	1
1	1	X	High-Z
1	0	X	关闭

当DE是0，DE为任意值，RO输入有效：

当Va~Vb的差模电压>-50mv RO输出1；

当Va~Vb的差模电压<-200mv RO输出0

2.3 瞬态抑制器的使用

对于工业场合的工作环境，SMBJ6.0瞬态抑制器，可以抑制RS485总线的浪涌，过压，对RS485芯片起到保护作用。

3 RS485的收发环路3.1 系统框图

RS485采用的通信协议依然是UART串口协议，因此收发模块还是使用前面已经写好的UART收发IP模块。为了实现单工模式的环路测试功能，这里增加了1个FIFO以及1个收发模块控制器。默认情况下，RS485芯片工作于接收数据状态，当FIFO有数据，并且一段时间内没有新数据到达，控制器切换RS485芯片到发送状态，从FIFO中取出缓存的数据发出。

3.2 顶层模块源码

以下代码中核心部分为如何实现RS485数据方向的切换，以及数据到FIFO的缓存。

/*************RS485 半双工测试************* --使用到了UART 发送和接收驱动 --通过FIFO缓存数据，并且检测到接收总线一段时间没有时间达到，进入发送模式，发送之前接收到的数据。 *********************************************************************/ `timescale 1ns / 1ns //仿真时间刻度/精度 module rs485_top( input       I_sysclk,//系统时钟输入 output      O_rs485_de, // 485 de控制，控制输入 输出方向，0 输入 1输出 input       I_rs485_rx, // 485 RX输入总线 output      O_rs485_tx  // 485 TX输出总线 ); localparam  SYSCLKHZ = 50_000_000; wire        reset_n;  //内部上电延迟复位 wire        rs485_rx; //内部RX 接收 wire        rs485_fifo_empty;  //FIFO空 wire        rs485_fifo_rd_en;  //FIFO 读使能 wire        rs485_rvalid;      //读数据有效 wire [7:0]  rs485_rdata;       //串口读数据(接收) wire [7:0]  rs485_wdata;       //串口写数据(发送) wire        rs485_wbusy;       //写忙 reg         rs485_de;          //485芯片的DE控制0 输入 1输出 reg         rs485_wreq = 1'b0; //串口写请求 wire        rs485_tx_start;    //发送启动 reg         rs485_tx_start_r = 1'b0; //发送启动寄存 reg [17:0]  T_dcnt; //延迟计数器 reg [11:0]  rstn_cnt = 12'd0; //复位计数器 //当rs485_de=0，设置rs485内部逻辑准备接收总线数据 assign rs485_rx         = (rs485_de == 1'b0) ? I_rs485_rx : 1'b1; //当FIFO中有数据，并且串口发送不忙，启动发送 assign rs485_tx_start   = rs485_de&&(rs485_wbusy == 1'b0)&&(!rs485_fifo_empty); //读FIFO使能，用rs485_tx_start的上升沿触发读FIFO assign rs485_fifo_rd_en = (rs485_tx_start_r == 1'b0 & rs485_tx_start == 1'b1);//read fifo enable //当rs485_de=0，设置rs485内部逻辑准备接收总线数据,否则，可以发送数据 assign O_rs485_de       = rs485_de; assign reset_n = rstn_cnt[11];//上电延迟复位 //复位计数器 always @(posedge I_sysclk)begin     if(rstn_cnt[11] == 1'b0)         rstn_cnt <= rstn_cnt + 1'b1;     else         rstn_cnt <= rstn_cnt; End //T_dcnt用于一段时间内，判断接收总线是否空闲 always @(posedge I_sysclk or negedge reset_n)begin    if(reset_n == 1'b0)        T_dcnt <= 17'd0;    else if(rs485_rx && (!rs485_fifo_empty))//如果RX总线是高电平，并且FIFO非空(有数据)        T_dcnt <= (T_dcnt[17] == 1'b1) ? T_dcnt : T_dcnt + 1'b1; //计数器累加    else        T_dcnt <= 0; //否则重置归零 End //当rs485_de=0，设置rs485内部逻辑准备接收总线数据,否则，可以发送数据 always @(posedge I_sysclk )begin     if(reset_n ==1'b0)//if(rs485_de | reset_n ==1'b0)        rs485_de <= 1'b0;//重置rs485_de，切换到接收     else if((T_dcnt[17]==1'b1)|rs485_wreq|rs485_wbusy)//当T_dcnt延迟计数器到达计数值，或者串口发送控制器正在发送(rs485_wreq，rs485_wbusy有效)        rs485_de <= 1'b1;//设置rs485_de      else      rs485_de <= 1'b0;//设置rs485_de End //打拍寄存一次 always @(posedge I_sysclk) rs485_tx_start_r <= rs485_tx_start; //rs485_wreq，延迟于rs485_fifo_rd_en，1个时钟，用于数据同步 always @(posedge I_sysclk) rs485_wreq <= rs485_fifo_rd_en; //例化FIFO IP,FIFO设置标准模式，用户缓存接收到的帧 fifo_generator_0 inst_fifo (   .wr_clk(I_sysclk),          //写时钟输入   .wr_rst(reset_n == 1'b0),   //写复位   .rd_clk(I_sysclk),          //读时钟输入   .rd_rst(reset_n == 1'b0),   //读复位   .din(rs485_rdata),          //RX接收到的数据   .wr_en(rs485_rvalid&(rs485_de==1'b0)), // 写FIFO 使能，当rs485_rvalid有效，写入数据   .rd_en(rs485_fifo_rd_en),   //FIFO读使能   .dout(rs485_wdata),         //写数据   .empty(rs485_fifo_empty)    //FIFO 空 ); //例化串口发送模块 uiuart_tx# ( .BAUD_DIV(SYSCLKHZ/115200 -1)  //设置波特率   ) uiuart_tx_u ( .I_clk(I_sysclk),           //系统时钟 .I_uart_rstn(reset_n),      //系统复位 .I_uart_wreq(rs485_wreq),   //串口发送驱动器发送请求 .I_uart_wdata(rs485_wdata), //串口发送，数据 .O_uart_wbusy(rs485_wbusy), //串口发送总线忙 .O_uart_tx(O_rs485_tx)      //串口发送总线 ); //例化串口接收模块 uiuart_rx# ( .BAUD_DIV(SYSCLKHZ/115200 -1) //设置波特率       ) uiuart_rx_u ( .I_clk(I_sysclk),           //系统时钟 .I_uart_rstn(reset_n),   //系统复位 .I_uart_rx(rs485_rx),       //串口接收总线 .O_uart_rdata(rs485_rdata), //串口接收数据 .O_uart_rvalid(rs485_rvalid)//串口接收数据有效 );   endmodule

4 FPGA工程

fpga工程的创建过程不再重复

米联客的代码管理规范,在对应的FPGA工程路径下创建uisrc路径，并且创建以下文件夹

01_rtl:放用户编写的rtl代码

02_sim:仿真文件或者工程

03_ip:放使用到的ip文件

04_pin:放fpga的pin脚约束文件或者时序约束文件

05_boot:放编译好的bit或者bin文件(一般为空)

06_doc:放本一些相关文档(一般为空)

5 RTL仿真5.1 仿真测试文件

`timescale 1ns/1ns  //定义仿真时间刻度/精度 module uart_top_tb(); localparam      BPS          = 'd115200 ;             //波特率 localparam      CLK_FRE    = 'd50_000_000   ;     //系统频率 localparam    CLK_TIME   = 'd500_000_000 /CLK_FRE;//计算系统时钟周期，以ns为单位 localparam      BIT_TIME   = 'd500_000_000/ BPS ;   //计算出传输每个bit所需要的时间以ns为单位 localparam    NUM_BYTES  = 3;               //需要发送的BYTES reg               I_sysclk;         //系统时钟 reg         bsp_clk ;     //波特率时钟 reg               O_uart_tx;      //uart 数据发送,该信号接入到，FPGA的uart 接收 wire        I_uart_rx;      //uart 数据接收,该信号接入到，FPGA的uart 发送 reg [8*NUM_BYTES-1:0] uart_send_data;   //需要发送的数据 reg [7:0]                 uart_send_data_r; //寄存每次需要发送的BYTE integer i,j; //例化顶层模块 rs485_top rs485_top ( .I_sysclk     (I_sysclk), .O_rs485_de   (O_rs485_de), .I_rs485_rx   (O_uart_tx), .O_rs485_tx   (I_uart_rx) ); //仿真初始化 initial begin   //初始化REG寄存器 I_sysclk =0; bsp_clk  = 0;   O_uart_tx  = 1; i=0; j=0; uart_send_data   =0; uart_send_data_r =0; #40000;//延迟40000ns,等待uart测试代码中的复位延迟 uart_send_data[(0*8) +: 8] = 8'b1001_0101;//初始化需要发送的第1个BYTE uart_send_data[(1*8) +: 8] = 8'b0000_0101;//初始化需要发送的第2个BYTE uart_send_data[(2*8) +: 8] = 8'b1000_0100;//初始化需要发送的第3个BYTE //uart tx 发送数据   for(i=0; i<NUM_BYTES;i=i+1)   begin       uart_send_data_r = uart_send_data[(i*8) +: 8];//寄存需要发送的数据到寄存器       $display("uart_send_data : 0x%h",uart_send_data_r);//打印准备发送的数据       @(posedge bsp_clk);  //发送起始位1bit       O_uart_tx = 1'b0;       for(j=0;j<8;j=j+1)begin//发送数据8bits       @(posedge bsp_clk);  //发送       O_uart_tx = uart_send_data_r[j];       end        @(posedge bsp_clk);//发送停止位1bit        O_uart_tx = 1'b1;     end        @(posedge bsp_clk);        #2000000 $finish;             end always #(CLK_TIME/2) I_sysclk = ~I_sysclk;    //产生主时钟 always #(BIT_TIME/2) bsp_clk  = ~bsp_clk;       //产生波特率时钟 endmodule

5.2 仿真结果

6 下载演示

下载程序前，先确保FPGA工程已经编译。

6.1硬件连接

请确保下载器和开发板已经正确连接，并且开发板已经上电(注意JTAG端子不支持热插拔，而USB接口支持，所以在不通电的情况下接通好JTAG后，再插入USB到电脑，之后再上电，以免造成JTAG IO损坏)

我们使用的是板卡自带的RS485接口的RS485_0接口，为了方便我们测试，我们使用了RS485转USB的转接线与我们的电脑端相连接，方便我们的通信

6.2运行结果