[米联客-XILINX-H3_CZ08_7100] FPGA基础篇连载-30 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
实验平台：米联客-MLK-H3-CZ08-7100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。

2RS485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。

3RS485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_p,
input I_sysclk_n,//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 = 100_000_000;
wire I_clk;
IBUFGDS CLK_U(
.I(I_sysclk_p),
.IB(I_sysclk_n),
.O(I_clk)
);
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_clk)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_clk 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_clk )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_clk) 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_clk) 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_clk), //写时钟输入
.wr_rst(reset_n == 1'b0), //写复位
.rd_clk(I_clk), //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_clk), //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_clk), //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

复制代码

4FPGA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 = 'd100_000_000 ; //系统频率
localparam CLK_TIME = 'd1000_000_000 /CLK_FRE;//计算系统时钟周期，以ns为单位
localparam BIT_TIME = 'd1000_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_p;
reg I_sysclk_n; //系统时钟
reg bsp_clk ; //波特率时钟
reg uart_tx; //uart 数据发送,该信号接入到，FPGA的uart 接收
wire 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_p (I_sysclk_p),
.I_sysclk_n (I_sysclk_n),
.O_rs485_de (O_rs485_de),
.I_rs485_rx (uart_tx),
.O_rs485_tx (uart_rx)
);
//仿真初始化
initial begin
//初始化REG寄存器
I_sysclk_p =0;
I_sysclk_n =1;
bsp_clk = 0;
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
uart_tx = 1'b0;
for(j=0;j<8;j=j+1)begin//发送数据8bits
@(posedge bsp_clk); //发送
uart_tx = uart_send_data_r[j];
end
@(posedge bsp_clk);//发送停止位1bit
uart_tx = 1'b1;
end
@(posedge bsp_clk);
#2000000 $finish;
end
always #(CLK_TIME/2) I_sysclk_p = ~I_sysclk_p;
always #(CLK_TIME/2) I_sysclk_n = ~I_sysclk_n; //产生主时钟
always #(BIT_TIME/2) bsp_clk = ~bsp_clk; //产生波特率时钟
endmodule

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5.2仿真结果

6下载演示

（硬件不支持,本课不展示下载演示结果）

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