【正点原子FPGA连载】第十五章RS485串口通信实验-领航者ZYNQ之FPGA开发指南

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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：
1515.1RS-485简介
15.2实验任务
15.3硬件设计
15.4程序设计
15.5下载验证
15.1RS-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”，如下图所示。

图 15.1.1 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，如下图所示。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 15.1.2 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。
15.2实验任务
本节实验任务是使用两块领航者开发板通过RS-485端口互联，由各自开发板上的两个按键分别控制对方开发板上两个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。
15.3硬件设计
RS485串口部分的原理图如下图所示。由于ZYNQ PL侧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 15.3.1 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。在下图中，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 15.3.2 RS232/RS485选择接口

下图为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ZYNQ的引脚相连接，而是连接到开发板的P1口，RS232串口和RS485串口共用P1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。
除此之外，领航者开发板上还包括了RS485收发方向自动控制电路，如下图所示：

图 15.3.3 RS485收发方向自动控制电路

其中，“RS485_RX”网络由ZYNQ输出的UART2_TX驱动。当UART2_TX为高，即不发送时，三极管导通，“RD485_DE”被拉低，此时SP3485芯片工作在接收状态，RS485差分总线的电平被外部电阻强制拉高，达到了输出高电平的的状态。当UART2_TX为低，即开始发送时，三极管截止，“RD485_DE”被拉高，此时SP3485芯片工作在发送状态，RS485差分总线的电平由UART2_TX来驱动。这样就实现了RS485收发状态的自动控制。
本实验中，各端口信号的管脚分配如下表所示：
表 15.3.1 RS485串口通信实验管脚分配


对应的约束语句如下所示：

• create_clock -period 20.000 -name sys_clk [get_ports sys_clk]
• set_property -dict {PACKAGE_PIN U18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sys_clk]
• set_property -dict {PACKAGE_PIN J15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sys_rst_n]
• set_property -dict {PACKAGE_PIN L20 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {key[0]}]
• set_property -dict {PACKAGE_PIN J20 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {key[1]}]
• set_property -dict {PACKAGE_PIN J18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {led[0]}]
• set_property -dict {PACKAGE_PIN H18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {led[1]}]
• set_property -dict {PACKAGE_PIN J14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports rs485_uart_rxd]
• set_property -dict {PACKAGE_PIN K18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports rs485_uart_txd]
  

15.4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 15.4.1 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下图所示：

图 15.4.2 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：

• 1 module rs485_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 [1:0] key, //按键
• 6 output [1:0] led, //led灯
• 7
• 8 //uart接口
• 9 input rs485_uart_rxd, //rs485串口接收端口
• 10 output rs485_uart_txd //rs485串口发送端口
• 11 );
• 12
• 13 //parameter define
• 14 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 [7:0] tx_data_w; //UART发送数据
• 21 wire [7:0] rx_data_w; //UART接收数据
• 22 wire [1:0] key_value_w; //消抖后的按键数据
• 23
• 24 //*****************************************************
• 25 //** main code
• 26 //*****************************************************
• 27 assign tx_data_w = {6'd0,key_value_w}; //将按键消抖后的值送到发送模块
• 28
• 29 uart_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
• 32 u_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
• 41 uart_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
• 44 u_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 );
• 52
• 53 key_debounce u_key_debounce(
• 54 .sys_clk (sys_clk),
• 55 .sys_rst_n (sys_rst_n),
• 56
• 57 .key (key),
• 58 .key_flag (tx_en_w), //按键有效通知信号
• 59 .key_value (key_value_w) //按键消抖后的数据
• 60 );
• 61
• 62 led_ctrl u_led_ctrl(
• 63 .sys_clk (sys_clk),
• 64 .sys_rst_n (sys_rst_n),
• 65
• 66 .led_en (rx_done_w), //led控制使能
• 67 .led_data (rx_data_w[1:0]), //led控制数据
• 68 .led (led)
• 69 );
• 70
• 71 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2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2按键位数据高位补6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2位有效位赋值给LED灯控制模块，如第67行所示。
串口接收程序和串口发送程序与“串口通信实验”章节中的代码完全相同。
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，如下图所示。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 15.4.3 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：

• 1 module key_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 [1:0] key, //外部按键输入
• 6
• 7 output reg key_flag, //按键数据有效信号
• 8 output reg [1:0] key_value //按键消抖后的数据
• 9 );
• 10
• 11 //reg define
• 12 reg [31:0] delay_cnt;
• 13 reg [ 1:0] key_reg;
• 14
• 15 //*****************************************************
• 16 //** main code
• 17 //*****************************************************
• 18 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
• 19 if (!sys_rst_n) begin
• 20 key_reg <= 2'b11;
• 21 delay_cnt <= 32'd0;
• 22 end
• 23 else begin
• 24 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 else if(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 else
• 31 delay_cnt <= delay_cnt;
• 32 end
• 33 end
• 34 end
• 35
• 36 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
• 37 if (!sys_rst_n) begin
• 38 key_flag <= 1'b0;
• 39 key_value <= 2'b11;
• 40 end
• 41 else begin
• 42 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20ms
• 43 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 end
• 46 else begin
• 47 key_flag <= 1'b0;
• 48 key_value <= key_value;
• 49 end
• 50 end
• 51 end
• 52
• 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：

• 1 module led_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 [1:0] led_data, //led控制数据
• 7
• 8 output reg [1:0] led //led灯
• 9 );
• 10
• 11 //reg define
• 12 reg led_en_d0;
• 13 reg led_en_d1;
• 14
• 15 //wire define
• 16 wire led_en_flag;
• 17
• 18 //*****************************************************
• 19 //** main code
• 20 //*****************************************************
• 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;
• 23
• 24 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
• 25 if (!sys_rst_n) begin
• 26 led_en_d0 <= 1'b0;
• 27 led_en_d1 <= 1'b0;
• 28 end
• 29 else begin
• 30 led_en_d0 <= led_en;
• 31 led_en_d1 <= led_en_d0;
• 32 end
• 33 end
• 34
• 35 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
• 36 if (!sys_rst_n)
• 37 led <= 2'b00;
• 38 else if(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 else
• 41 led <= led;
• 42 end
• 43
• 44 endmodule
  

由于领航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。
15.5下载验证
编译工程并生成比特流.bit文件。接下来我们将两个领航者开发板上的RS485接口用两根杜邦线连接起来，如下图所示。连接时注意接口位置一一对应，不要接反了。另外领航者开发板上的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P1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 15.5.1 领航者开发板实物图

接下来我们下载程序，验证两个领航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。我们首先将生成的比特流文件固化到一个领航者开发板上，具体固化过程参见“程序固化实验”实验。固化完成之后断电，将JTAG下载器电缆拔出，插到另一个领航者板子上，然后将比特流文件下载到另一个领航者板子上。
下载完成后我们给第一个固化程序的领航者开发板上电，依次按下任意一个开发板上的两个按键，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。