[米联客-安路飞龙DR1-FPSOC] FPGA基础篇连载-26 RS485串口程序收发环路设计

软件版本：Anlogic -TD5.9.1-DR1_ES1.1

操作系统：WIN10 64bit

硬件平台：适用安路(Anlogic)FPGA

实验平台：米联客-MLK-L1-CZ06-DR1M90G开发板

板卡获取平台：https://milianke.tmall.com/

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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

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。

1. /*************RS485 半双工测试*************
   
2. --使用到了UART 发送和接收驱动
   
3. --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。
   
4. *********************************************************************/
   
5. 
   
6. `timescale 1ns / 1ns //仿真时间刻度/精度
   
7. 
   
8. module rs485_top#
   
9. (
   
10. parameter integer SYSCLKHZ =  25_000_000  //系统输入时钟频率参数
    
11. )
    
12. (
    
13. input       I_sysclk,//系统时钟输入
    
14. output      O_rs485_de, // 485 de控制，控制输入 输出方向，0 输入 1输出
    
15. input       I_rs485_rx, // 485 RX输入总线
    
16. output      O_rs485_tx  // 485 TX输出总线
    
17. );
    
18. 
    
19. wire        reset_n;  //内部上电延迟复位
    
20. wire        rs485_rx; //内部RX 接收
    
21. wire        rs485_fifo_empty;  //FIFO空
    
22. wire        rs485_fifo_rd_en;  //FIFO 读使能
    
23. wire        rs485_rvalid;      //读数据有效
    
24. wire [7:0]  rs485_rdata;       //串口读数据(接收)
    
25. wire [7:0]  rs485_wdata;       //串口写数据(发送)
    
26. wire        rs485_wbusy;       //写忙
    
27. reg         rs485_de;          //485芯片的DE控制0 输入 1输出
    
28. reg         rs485_wreq = 1'b0; //串口写请求
    
29. wire        rs485_tx_start;    //发送启动
    
30. reg         rs485_tx_start_r = 1'b0; //发送启动寄存
    
31. reg [17:0]  T_dcnt; //延迟计数器
    
32. reg [11:0]  rstn_cnt = 12'd0; //复位计数器
    
33. 
    
34. //当rs485_de=0，设置rs485内部逻辑准备接收总线数据
    
35. assign rs485_rx         = (rs485_de == 1'b0) ? I_rs485_rx : 1'b1;
    
36. //当FIFO中有数据，并且串口发送不忙，启动发送
    
37. assign rs485_tx_start   = rs485_de&&(rs485_wbusy == 1'b0)&&(!rs485_fifo_empty);
    
38. //读FIFO使能，用rs485_tx_start的上升沿触发读FIFO
    
39. assign rs485_fifo_rd_en = (rs485_tx_start_r == 1'b0 & rs485_tx_start == 1'b1);//read fifo enable
    
40. //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
    
41. assign O_rs485_de       = rs485_de;
    
42. 
    
43. assign reset_n = rstn_cnt[11];//上电延迟复位
    
44. 
    
45. //复位计数器
    
46. always @(posedge I_sysclk)begin
    
47.     if(rstn_cnt[11] == 1'b0)
    
48.         rstn_cnt <= rstn_cnt + 1'b1;
    
49.     else
    
50.         rstn_cnt <= rstn_cnt;
    
51. end
    
52. 
    
53. //T_dcnt用于一段时间内，判断接收总线是否空闲
    
54. always @(posedge I_sysclk or negedge reset_n)begin
    
55.    if(reset_n == 1'b0)
    
56.        T_dcnt <= 17'd0;
    
57.    else if(rs485_rx && (!rs485_fifo_empty))//如果RX总线是高电平，并且FIFO非空(有数据)
    
58.        T_dcnt <= (T_dcnt[17] == 1'b1) ? T_dcnt : T_dcnt + 1'b1; //计数器累加
    
59.    else
    
60.        T_dcnt <= 0; //否则重置归零
    
61. 
    
62. end
    
63. 
    
64. //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
    
65. always @(posedge I_sysclk )begin
    
66.     if(reset_n ==1'b0)//if(rs485_de | reset_n ==1'b0)
    
67.        rs485_de <= 1'b0;//重置rs485_de，切换到接收
    
68.     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)
    
69.        rs485_de <= 1'b1;//设置rs485_de
    
70.      else
    
71.      rs485_de <= 1'b0;//设置rs485_de
    
72. end
    
73. 
    
74. //打拍寄存一次
    
75. always @(posedge I_sysclk) rs485_tx_start_r <= rs485_tx_start;
    
76. 
    
77. //rs485_wreq，延迟于rs485_fifo_rd_en，1个时钟，用于数据同步
    
78. always @(posedge I_sysclk) rs485_wreq <= rs485_fifo_rd_en;
    
79. 
    
80. //例化FIFO IP,FIFO设置标准模式，用户缓存接收到的帧
    
81. fifo_generator_0 inst_fifo (
    
82.   .clkw(I_sysclk),          //写时钟输入
    
83.   .wrst(reset_n == 1'b0),   //写复位
    
84.   .clkr(I_sysclk_p),          //读时钟输入
    
85.   .rrst(reset_n == 1'b0),   //读复位
    
86.   .di(rs485_rdata),          //RX接收到的数据
    
87.   .we(rs485_rvalid&(rs485_de==1'b0)), // 写FIFO 使能，当rs485_rvalid有效，写入数据
    
88.   .re(rs485_fifo_rd_en),   //FIFO读使能
    
89.   .dout(rs485_wdata),         //写数据
    
90.   .empty_flag(rs485_fifo_empty)    //FIFO 空
    
91. 
    
92. );
    
93. 
    
94. //例化串口发送模块
    
95. uiuart_tx#
    
96. (
    
97. .BAUD_DIV(SYSCLKHZ/115200 -1)  //设置波特率  
    
98. )
    
99. uiuart_tx_u
    
100. (
     
101. .I_clk(I_sysclk),           //系统时钟
     
102. .I_uart_rstn(reset_n),      //系统复位
     
103. .I_uart_wreq(rs485_wreq),   //串口发送驱动器发送请求
     
104. .I_uart_wdata(rs485_wdata), //串口发送，数据
     
105. .O_uart_wbusy(rs485_wbusy), //串口发送总线忙
     
106. .O_uart_tx(O_rs485_tx)      //串口发送总线
     
107. );
     
108. 
     
109. //例化串口接收模块
     
110. uiuart_rx#
     
111. (
     
112. .BAUD_DIV(SYSCLKHZ/115200 -1) //设置波特率      
     
113. )
     
114. uiuart_rx_u
     
115. (
     
116. .I_clk(I_sysclk),           //系统时钟
     
117. .I_uart_rx_rstn(reset_n),   //系统复位
     
118. .I_uart_rx(rs485_rx),       //串口接收总线
     
119. .O_uart_rdata(rs485_rdata), //串口接收数据
     
120. .O_uart_rvalid(rs485_rvalid)//串口接收数据有效
     
121. );   
     
122. 
     
123. endmodule

复制代码

4 FPGA工程

关于软件安装、FPGA工程创建、编译、下载等请参考"米联客2023版FPGA课程-安路FPGA TD软件快速入门课程.pdf"，该章节路径如下：

打开配套代码的FPGA工程如下：

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

1. `timescale 1ns/1ns  //定义仿真时间刻度/精度
   
2. 
   
3. module sim_top_tb();
   
4. 
   
5. localparam     BPS       = 'd115200          ;                //波特率
   
6. localparam     CLK_FRE    = 'd25_000_000     ;                //系统频率
   
7. localparam     CLK_TIME   =  'd250_000_000 /CLK_FRE;          //计算系统时钟周期，以ns为单位
   
8. localparam     BIT_TIME   = 'd250_000_000  / BPS ;            //计算出传输每个bit所需要的时间以ns为单位
   
9. localparam     NUM_BYTES  = 3;                                //需要发送的BYTES
   
10. 
    
11. reg              sysclk_p;                                    //系统时钟
    
12. reg              bsp_clk ;                                    //波特率时钟
    
13. reg              uart_tx;                                     //uart 数据发送,该信号接入到，FPGA的uart 接收
    
14. wire             uart_rx;                                      //uart 数据接收,该信号接入到，FPGA的uart 发送
    
15. wire             rs485_de;                                   
    
16. reg [8*NUM_BYTES-1:0] uart_send_data;                         //需要发送的数据
    
17. reg [7:0]            uart_send_data_r;                        //寄存每次需要发送的BYTE
    
18. 
    
19. integer i,j;
    
20. 
    
21. //例化顶层模块
    
22. rs485_top#
    
23. (
    
24. .SYSCLKHZ(CLK_FRE)     
    
25. )
    
26. rs485_top_inst
    
27. (
    
28. .I_sysclk(sysclk_p),
    
29. .O_rs485_de(rs485_de),
    
30. .I_rs485_rx(uart_tx),
    
31. .O_rs485_tx(uart_rx)
    
32. );
    
33. 
    
34. //仿真初始化
    
35. initial begin  
    
36. 
    
37. //初始化REG寄存器
    
38. sysclk_p =0;
    
39. bsp_clk  = 0;  
    
40. uart_tx  = 1;
    
41. i=0;
    
42. j=0;
    
43. 
    
44. uart_send_data   =0;
    
45. uart_send_data_r =0;
    
46. 
    
47. #20000;//延迟20000ns,等待uart测试代码中的复位延迟
    
48. 
    
49. uart_send_data[(0*8) +: 8] = 8'b1001_0101;//初始化需要发送的第1个BYTE
    
50. uart_send_data[(1*8) +: 8] = 8'b0000_0101;//初始化需要发送的第2个BYTE
    
51. uart_send_data[(2*8) +: 8] = 8'b1000_0100;//初始化需要发送的第3个BYTE
    
52. 
    
53. //uart tx 发送数据
    
54.   for(i=0; i<NUM_BYTES;i=i+1)
    
55.   begin
    
56. 
    
57.       uart_send_data_r = uart_send_data[(i*8) +: 8];//寄存需要发送的数据到寄存器
    
58.       $display("uart_send_data : 0x%h",uart_send_data_r);//打印准备发送的数据
    
59. 
    
60.       @(posedge bsp_clk);  //发送起始位1bit
    
61.       uart_tx = 1'b0;
    
62. 
    
63.       for(j=0;j<8;j=j+1)begin//发送数据8bits
    
64.       @(posedge bsp_clk);  //发送
    
65.       uart_tx = uart_send_data_r[j];
    
66.       end
    
67. 
    
68.        @(posedge bsp_clk);//发送停止位1bit
    
69.        uart_tx = 1'b1;  
    
70. 
    
71.   end
    
72.        @(posedge bsp_clk);
    
73.        #200 $finish;               
    
74. end
    
75. 
    
76. always #(CLK_TIME/2) sysclk_p = ~sysclk_p;     //产生主时钟
    
77. always #(BIT_TIME/2) bsp_clk  = ~bsp_clk;         //产生波特率时钟
    
78. 
    
79. 
    
80. endmodule

复制代码

5.2仿真结果

6 实验演示

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 实验结果