【正点原子FPGA连载】第十七章 RS485串口通信实验--摘自【正点原子】开拓者 FPGA 开发指南
本帖最后由 正点原子 于 2020-10-23 11:15 编辑1）实验平台：正点原子开拓者FPGA开发板
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第十七章 RS485串口通信实验
RS-485是针对UART串口的一种接口标准，它定义了串行通信系统中发送器和接收器的一系列电气特性。相比于RS-232，RS-485标准的通信系统抗干扰能力较强，可实现长距离数据传输，同时支持多个收发器连接到同一个通信网络中。因此，RS-485在工业控制领域以及有类似需求的系统中得到了广泛的应用。本章包括以下几个部分：1 1.1 RS-485简介1.2 实验任务1.3 硬件设计1.4 程序设计1.5 下载验证
1.1 RS-485简介在“串口通信实验”章节我们详细地介绍了UART串口通信以及RS-232接口标准。实际上，除了RS-232之外，RS-422和RS-485也都是常用的串行通信接口标准，它们定义了接口不同的电气特性，如RS-232是单端输入输出，而RS-422/485为差分输入输出等。在介绍RS-485之前，我们先来了解一下串口通信过程中单端传输与差分传输的差别。单端传输是指在发送或接收过程中，用信号线对地线的电压值来表示逻辑“0”和“1”。而差分传输使用两根信号线来传输一路信号，这两根信号线上传输的信号幅值相等，相位相差180度（极性相反），用它们的差值来表示逻辑“0”和“1”，如图 17.1.1所示。
图 17.1.1 差分传输方式在传输过程中，当信号线上叠加了频率、幅值和相位都相同的干扰信号时（共模干扰），对于单端传输而言，由于地线电位为0，则传输的信号就包含了干扰信号；而在差分传输方式下，干扰可以通过两个信号线上电压的差值抵消，相当于抑制了共模干扰，如图 17.1.2所示。因此相对于单端传输方式，差分传输大大提高了信号在传输过程中的抗干扰能力，但是需要多余的信号线来实现信号传输。
图 17.1.2 差分传输抑制共模干扰RS-232接口标准出现较早，信号采用负逻辑电平、单端传输方式工作。通过一根信号线发送，一根信号线接收，加上一根地线，RS-232可实现全双工通信。由于单端传输方式抗干扰能力差，导致RS-232标准通信距离短（小于15米），数据传输速率低等问题。另外RS-232仅支持一对一通信，存在无法实现多个设备互联的缺点。RS-422由RS-232发展而来，它是为弥补RS-232之不足而提出的。RS-422采用差分传输（又称平衡传输）方式，将最大传输速率提高到10Mbps；当传输速率在100kbps以下时，传输距离可达1200米。由于采用差分传输方式，RS-422需要4根信号线来实现全双工通信，两根用于发送、两根用于接收，一般会再加上一根地线。RS-422允许在一条传输总线上连接最多10个接收器，从而实现单个设备发送，多个设备接收的功能。为扩展应用范围，在RS-422基础上又制定了RS-485标准。RS-485同样采用差分传输方式，但是RS-485只有2根信号线，由发送和接收共用，因此发送和接收不能同时进行，只能实现半双工通信。RS-485增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，各设备通过使能信号控制发送和接收过程。1.2 实验任务本节实验任务是使用两块开拓者开发板通过RS-485端口互联，由各自开发板上的四个按键分别控制对方开发板上四个LED灯的亮灭。当按键按下时，对方开发板上对应的LED灯点亮；按键释放时，对应的LED灯熄灭。1.3 硬件设计RS485串口部分的原理图如图 17.3.1所示。由于FPGA串口输入输出引脚为TTL电平，用3.3V代表逻辑“1”，0V代表逻辑“0”；而RS-485电平标准采用差分信号的差值电压来代表逻辑“0”和“1”。因此当FPGA与RS485接口标准的设备通信时，需要加电平转换芯片SP3485，实现RS485电平与TTL电平的转换。
图 17.3.1 RS485串口原理图由于RS-485为半双工通信方式，需要通过使能信号来控制发送和接收过程。在图 17.3.1中，电平转换芯片SP3485的2号引脚为低电平接收使能，3号引脚为高电平发送使能。在这里我们将两个引脚连接在一起，只需要通过一个信号RS485_DE即可控制收发过程：当RS485_DE为高电平时，SP3485处于发送过程；当RS485_DE为低电平时，SP3485处于接收过程。
图 17.3.2 RS232/RS485选择接口图17.3.2为RS232/RS485的选择接口，由上图可知，SP3485芯片端口的RS485_RX和RS485_TX并没有直接和FPGA的引脚相连接，而是连接到开发板的P2口，RS232串口和RS485串口共用P2口的UART2_TX和UART2_RX，UART2_TX和UART2_RX是直接和FPGA的引脚相连接的，这样的设计方式实现了有限IO的多种复用功能。因此，在做RS485串口通信实验时，需要使用杜邦线或者跳帽将RS485_RX和UART2_TX连接在一起，RS485_TX和UART2_RX连接在一起。
表 17.3.1 RS485串口通信实验管脚分配
1.4 程序设计根据实验任务，我们可以大致规划出系统的控制流程：当检测到有按键按下或释放时，将按键数据通过RS485串口发送出去；而当RS485串口接收到对方发送的按键数据时，根据接收到的数据改变LED灯的显示状态。由此画出系统的功能框图如下所示：
图 17.4.1 RS485串口实验系统框图由系统总体框图可知，FPGA部分包括五个模块，顶层模块（rs485_uart_top）、接收模块（uart_recv）、发送模块（uart_send）、按键消抖模块（key_debounce）和LED灯控制模块（led_ctrl）。其中在顶层模块中完成对另外四个模块的例化。由于RS-485只是对接口标准的定义，数据的传输仍然是按照UART串口通信协议进行。因此我们可以直接调用“串口通信实验”中的串口发送和接收模块。在这里我们仍然设置数据位为8位，停止位为1位，无校验位，波特率为115200bps。各模块端口及信号连接如图 17.4.2所示：
图 17.4.2 顶层模块原理图key_debounce为按键消抖模块，在检测到有按键按下或释放时对按键数据进行消抖处理，在按键数据稳定后给出通知信号key_flag，并将数据由串口发送模块uart_send发送出去。uart_recv为串口接收模块，它负责接收对方发送的按键数据，并在一帧数据（8位）接收结束后给出通知信号uart_done。当LED灯控制模块led_ctrl检测到该通知信号时，根据接收到的按键数据改变板卡上LED灯的显示状态。顶层模块的代码如下：1modulers485_uart_top(2 input sys_clk, //外部50M时钟3 input sys_rst_n, //外部复位信号，低有效4 5 input key, //按键6 output led, //led灯7 //uart接口8 input rs485_uart_rxd, //rs485串口接收端口9 output rs485_uart_txd, //rs485串口发送端口10 output rs485_tx_en //rs485发送使能，高有效11 );12 13 //parameter define14 parameter CLK_FREQ = 50000000; //定义系统时钟频率15 parameter UART_BPS = 115200; //定义串口波特率16 17 //wire define 18 wire tx_en_w; //UART发送使能19 wire rx_done_w; //UART接收完毕信号20 wire tx_data_w; //UART发送数据21 wire rx_data_w; //UART接收数据22 wire key_value_w; //消抖后的按键数据2324 //*****************************************************25 //** main code26//***************************************************** 27 assign tx_data_w ={4'd0,key_value_w};//将按键消抖后的值送到发送模块2829uart_recv #( //串口接收模块30 .CLK_FREQ (CLK_FREQ), //设置系统时钟频率31 .UART_BPS (UART_BPS)) //设置串口接收波特率32u_uart_recv( 33 .sys_clk (sys_clk),34 .sys_rst_n (sys_rst_n),35 36 .uart_rxd (rs485_uart_rxd),37 .uart_done (rx_done_w),38 .uart_data (rx_data_w)39 );40 41uart_send #( //串口发送模块42 .CLK_FREQ (CLK_FREQ), //设置系统时钟频率43 .UART_BPS (UART_BPS)) //设置串口发送波特率44u_uart_send( 45 .sys_clk (sys_clk),46 .sys_rst_n (sys_rst_n),47 48 .uart_en (tx_en_w),49 .uart_din (tx_data_w),50 .uart_txd (rs485_uart_txd),51 .tx_flag (rs485_tx_en) //rs485串口发送使能，高有效52 );53 54key_debounce u_key_debounce(55 .sys_clk (sys_clk),56 .sys_rst_n (sys_rst_n),57 58 .key (key),59 .key_flag (tx_en_w), //按键有效通知信号60 .key_value (key_value_w) //按键消抖后的数据61 );62 63led_ctrl u_led_ctrl(64 .sys_clk (sys_clk),65 .sys_rst_n (sys_rst_n),66 67 .led_en (rx_done_w), //led控制使能68 .led_data (rx_data_w),//led控制数据69 .led (led)70 );7172 endmodule顶层模块中主要完成对其余模块的例化，需要注意的是程序第27行：由于板卡上只有4个按键，而串口通信过程中数据位为8位，因此需要将消抖后得到的4按键位数据高位补四个零，然后再给到串口发送模块。同样，在将接收的按键数据用于LED灯控制时，仅将低四位有效位赋值给LED灯控制模块，如第68行所示。串口接收程序与“串口通信实验”章节中的接收模块完全相同，而串口发送程序有一点细微的差异：将串口发送模块内部的“发送过程标志寄存器”tx_flag作为输出端口引出，如代码中第51行所示。由于在发送过程中tx_flag为高电平，发送结束后tx_flag拉低，因此可以将其赋值给RS-485串口发送使能信号rs485_tx_en，用于控制串口通信的发送和接收过程。rs485_tx_en信号通过FPGA管脚与SP3485芯片的DE和RE引脚相连，因此在串口发送过程中使能SP3485进入发送状态，其他时间SP3485均处于接收状态。有关串口收发过程更详细的介绍请大家参考“串口通信实验”，下面我们来介绍一下另外两个模块：按键消抖模块和LED灯控制模块。在机械按键按下和释放的过程中，由于机械触点的弹性作用，按键开关在闭合的瞬间不会立即稳定地导通，在释放时也不是立刻就能完全断开。因此，在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，如图 17.4.3所示。按键的抖动过程体现在数字电路中就是不断变化的高低电平，为避免在抖动过程中采集到错误的按键状态，我们需要对按键数据进行消除抖动处理。
图 17.4.3 机械按键抖动过程按键抖动的时间长短由按键的机械特性决定，一般为5ms～10ms，在抖动时间内按键状态可能会不断的发生变化。由于按键的抖动过程持续时间较短，很快就趋于稳定状态。因此在按键按下及释放之后，若按键能稳定在同一状态且持续时间达20ms，我们就认为抖动过程已经结束，此时的采集的按键数据有效。按键消抖模块的代码如下所示：1modulekey_debounce(2 input sys_clk, //外部50M时钟3 input sys_rst_n, //外部复位信号，低有效4 5 input key, //外部按键输入6 7 outputreg key_flag, //按键数据有效信号8 outputreg key_value //按键消抖后的数据9 );1011 //reg define 12 reg delay_cnt;13 reg [ 3:0] key_reg;1415 //*****************************************************16 //** main code17 //*****************************************************18always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin19 if (!sys_rst_n)begin20 key_reg <=4'b1111;21 delay_cnt <=32'd0;22 end23 else begin24 key_reg <=key;25 if(key_reg !=key) //一旦检测到按键状态发生变化(有按键被按下或释放)26 delay_cnt <= 32'd1000000;//给延时计数器重新装载初始值（计数时间为20ms）27 elseif(key_reg== key)begin //在按键状态稳定时，计数器递减，开始20ms倒计时28 if(delay_cnt >32'd0)29 delay_cnt <= delay_cnt -1'b1;30 else31 delay_cnt <= delay_cnt;32 end 33 end 34 end3536always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin37 if (!sys_rst_n)begin38 key_flag<= 1'b0;39 key_value <=4'b1111; 40 end41 else begin42 if(delay_cnt ==32'd1)begin//当计数器递减到1时，说明按键稳定状态维持了20ms43 key_flag<= 1'b1; //此时消抖过程结束，给出一个时钟周期的标志信号44 key_value <= key; //并寄存此时按键的值45 end46 elsebegin47 key_flag<= 1'b0;48 key_value <= key_value;49 end50 end 51 end52 53 endmodule程序中第25行不断检测按键状态，一旦发现按键状态发生改变时，就给计数器delay_cnt赋初值1000000。在按键状态不发生改变时delay_cnt递减从而实现倒计时的功能，在倒计时过程中，一旦检测到按键状态发生改变，则说明有抖动产生，此时重新给delay_cnt赋初值，并开始新一轮倒计时。在50Mhz时钟驱动下，delay_cnt若能由1000000递减至1，则说明按键状态保持稳定时间达20ms，此时输出一个时钟周期的通知信号key_flag,并将此时的按键数据寄存输出。串口接收模块在接收对方发送的按键数据后，将数据低4位（高4位为零）给到LED控制模块，并输出通知信号uart_done。LED灯控制模块在检测到uart_done的上升沿时，利用接收到的按键数据改变LED灯的显示状态。LED灯控制模块的代码如下：1moduleled_ctrl(2 input sys_clk, //外部50M时钟3 input sys_rst_n, //外部复位信号，低有效4 5 input led_en, //led控制使能6 input led_data, //led控制数据7 8 outputreg led //led灯9 );1011 //reg define12 reg led_en_d0;13 reg led_en_d1;1415 //wire define16 wire led_en_flag;1718 //*****************************************************19 //** main code20 //*****************************************************21 //捕获led_en上升沿，得到一个时钟周期的脉冲信号22 assign led_en_flag =(~led_en_d1)& led_en_d0;2324always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin25 if (!sys_rst_n)begin26 led_en_d0 <=1'b0;27 led_en_d1 <=1'b0;28 end29 else begin30 led_en_d0 <=led_en;31 led_en_d1 <=led_en_d0;32 end33 end3435always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin36 if (!sys_rst_n)37 led <=4'b0000;38 elseif(led_en_flag) //在led_en上升沿到来时，改变led灯的状态39 led <=~led_data; //按键按下时为低电平，而led高电平时点亮40 else41 led <=led;42 end43 44 endmodule由于开拓者开发板上的按键在按下时为低电平，而LED为高电平时点亮，因此为了实现按键按下时点亮对应LED灯的功能，需要将按键数据取反后赋值给LED输出端口寄存器，如代码中第39行所示。1.5 下载验证首先我们打开RS485串口通信实验工程，在工程所在的路径下打开rs485_uart_top /par文件夹，在里面找到“rs485_uart_top.qpf”并双击打开。注意工程所在的路径名只能由字母、数字以及下划线组成，不能出现中文、空格以及特殊字符等。串口工程打开后如图 17.5.1所示。
接下来我们将两个开拓者开发板上的RS485接口用两根杜邦线连接起来，如图 17.5.2所示。连接时注意接口位置一一对应，不要接反了。另外开拓者开发板上的CAN接口与RS485接口十分相像，使用时请注意区分。还有一点需要注意的是，两块开发板的P2口都需要使用杜邦线或者跳帽进行连接选择RS485口，否则无法进行RS485串口通信。然后分别将两个开发板上的下载器一端连电脑，另一端与开发板上的JTAG下载端口连接，最后连接电源线并打开电源开关。
图 17.5.1 RS485串口通信实验工程
图 17.5.2 开拓者开发板实物图接下来我们下载程序，验证两个开拓者开发板上的按键通过RS-485通信端口控制对方LED灯亮灭的功能。工程打开后通过点击工具栏中的“Programmer”图标打开下载界面，通过“Add File”按钮选择串口工程中rs485_uart_top/par/output_files目录下的“rs485_uart_top.sof”文件，下载界面如图 17.5.3所示。开发板电源打开后，在程序下载界面点击“Hardware Setup”，在弹出的对话框中选择当前的硬件连接为“USB-Blaster”。然后点击“Start”将工程编译完成后得到的sof文件下载到第一块开发板中，如图 17.5.3所示。然后重新设置硬件连接为“USB-Blaster”，将“rs485_uart_top.sof”文件下载到第二块开发板中。
图 17.5.3 程序下载完成界面下载完成后我们依次按下任意一个开发板上的四个按键，可以观察到另外一个开发板上对应的LED灯在按下时点亮，释放时熄灭，说明程序下载验证成功。
不错，支持，一直想玩下FPGA, xmcsl 发表于 2019-5-31 09:14
不错，支持，一直想玩下FPGA,
等空闲了，买一块支持下，把大学里没学好的给补回来
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