作者：ALINX

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適用于板卡型號：
AXU2CGA/AXU2CGB/AXU3EG/AXU4EV-E/AXU4EV-P/AXU5EV-E/AXU5EV-P /AXU9EG/AXU15EG

實(shí)驗(yàn)Vivado工程為“rs232_test”。

本章采用AN3485模塊的RS232電路實(shí)現(xiàn)UART數(shù)據(jù)傳輸。

1.模塊介紹
AN3845模塊專門為工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用設(shè)計的RS232/485/422通信模塊。它包含一路RS232接口，2路RS485和2路RS422通信接口。配合開發(fā)板實(shí)現(xiàn)RS232、485和422的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸和通信。RS232、485和422接口分別采用MAX3232、MAX3485和MAX3490芯片作為電平轉(zhuǎn)換芯片。模塊留有一個40針的排母用于連接開發(fā)板，RS232接口為一個標(biāo)準(zhǔn)的DB9串口公座，通過串口線直接連接電腦或者其他設(shè)備； RS485和RS422接口采用接線端子跟外部連接，超遠(yuǎn)距離傳輸可達(dá)上千米，另外RS485和RS422接口部分帶有正負(fù)15KV的ESD防護(hù)功能。

AN3845模塊實(shí)物照片如下：

AN3845通信模塊正面圖

1.1 模塊參數(shù)說明

以下為AN3485通信模塊的詳細(xì)參數(shù):

RS232接口

RS485接口

RS422接口

1.2 模塊功能說明

AN3485模塊的RS232接口采用MAX3232芯片實(shí)現(xiàn)RS232和+3.3V TTL電平的轉(zhuǎn)換。TTL電平的串口接收和發(fā)送信號（RXD, TXD）連接到40針的連接器上跟外面的FPGA芯片或者ARM芯片實(shí)現(xiàn)串口通信。RS232串口通信的最高速度為120kbps，RS232接口的原理設(shè)計圖如下圖所示。

2. 程序設(shè)計
本文所述的串口指異步串行通信，異步串行是指UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），通用異步接收/發(fā)送。本實(shí)驗(yàn)程序設(shè)計為每秒鐘向串口發(fā)送”HELLO ALINX”，如果收到RXD接收的數(shù)據(jù)，再把接收的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，實(shí)現(xiàn)回環(huán)的功能。

2.1 異步串口通信協(xié)議

消息幀從一個低位起始位開始，后面是7個或8個數(shù)據(jù)位，一個可用的奇偶位和一個或幾個高位停止位。接收器發(fā)現(xiàn)開始位時它就知道數(shù)據(jù)準(zhǔn)備發(fā)送，并嘗試與發(fā)送器時鐘頻率同步。如果選擇了奇偶校驗(yàn)，UART就在數(shù)據(jù)位后面加上奇偶位。奇偶位可用來幫助錯誤校驗(yàn)。在接收過程中，UART從消息幀中去掉起始位和結(jié)束位，對進(jìn)來的字節(jié)進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，并將數(shù)據(jù)字節(jié)從串行轉(zhuǎn)換成并行。UART 傳輸時序如下圖所示：

從波形上可以看出起始位是低電平，停止位和空閑位都是高電平，也就是說沒有數(shù)據(jù)傳輸時是高電平，利用這個特點(diǎn)我們可以準(zhǔn)確接收數(shù)據(jù)，當(dāng)一個下降沿事件發(fā)生時，我們認(rèn)為將進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 波特率

常見的串口通信波特率有2400 、9600、115200等，發(fā)送和接收波特率必須保持一致才能正確通信。波特率是指1秒最大傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)，包括起始位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位。假如通信波特率設(shè)定為9600，那么一個數(shù)據(jù)位的時間長度是1/9600秒，本實(shí)驗(yàn)中的波特率由50MHz時鐘產(chǎn)生。

2.3 接收模塊設(shè)計

串口接收模塊uart_rx是個參數(shù)化可配置模塊，參數(shù)“CLK_FRE”定義接收模塊的系統(tǒng)時鐘頻率，單位是Mhz，參數(shù)“BAUD_RATE”是波特率。接收狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如下：

“S_IDLE”狀態(tài)為空閑狀態(tài)，上電后進(jìn)入“S_IDLE”，如果信號“rx_pin”有下降沿，我們認(rèn)為是串口的起始位，進(jìn)入狀態(tài)“S_START”,等一個BIT時間起始位結(jié)束后進(jìn)入數(shù)據(jù)位接收狀態(tài)“S_REC_BYTE”,本實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)位設(shè)計是8位，接收完成以后進(jìn)入“S_STOP”狀態(tài)，在“S_STOP”沒有等待一個BIT周期，只等待了半個BIT時間，這是因?yàn)槿绻却艘粋€周期，有可能會錯過下一個數(shù)據(jù)的起始位判斷，最后進(jìn)入“S_DATA”狀態(tài)，將接收到的數(shù)據(jù)送到其他模塊。在這個模塊我們提一點(diǎn)：為了滿足采樣定理，在接受數(shù)據(jù)時每個數(shù)據(jù)都在波特率計數(shù)器的時間中點(diǎn)進(jìn)行采樣，以避免數(shù)據(jù)出錯的情況：
//receive serial data bit data
always@(posedge clk ornegedge rst_n)
begin
if(rst_n ==1'b0)
rx_bits elseif(state == S_REC_BYTE && cycle_cnt == CYCLE/2-1)
rx_bits[bit_cnt] else
rx_bits end

注意：本實(shí)驗(yàn)沒有設(shè)計奇偶校驗(yàn)位。

串口接收模塊uart_rx端口

2.4 發(fā)送模塊設(shè)計

發(fā)送模塊uart_tx設(shè)計和接收模塊相似，也是使用狀態(tài)機(jī)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如下：

上電后進(jìn)入“S_IDLE”空閑狀態(tài)，如果有發(fā)送請求，進(jìn)入發(fā)送起始位狀態(tài)“S_START”,起始位發(fā)送完成后進(jìn)入發(fā)送數(shù)據(jù)位狀態(tài)“S_SEND_BYTE”,數(shù)據(jù)位發(fā)送完成后進(jìn)入發(fā)送停止位狀態(tài)“S_STOP”,停止位發(fā)送完成后又進(jìn)入空閑狀態(tài)。在數(shù)據(jù)發(fā)送模塊中，從頂層模塊寫入的數(shù)據(jù)直接傳遞給寄存器‘tx_reg’，并通過‘tx_reg’寄存器模擬串口傳輸協(xié)議在狀態(tài)機(jī)的條件轉(zhuǎn)換下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送：

always@(posedge clk ornegedge rst_n)
begin
if(rst_n ==1'b0)
tx_reg else
case(state)
S_IDLE,S_STOP:
tx_reg S_START:
tx_reg S_SEND_BYTE:
tx_reg default:
tx_reg endcase
end

串口發(fā)送模塊uart_tx端口

2.5 波特率的產(chǎn)生

在發(fā)送和接收模塊中，聲明了參數(shù)CYCLE，也就是UART一個周期的計數(shù)值，當(dāng)然計數(shù)是在50MHz時鐘下進(jìn)行的。用戶只要設(shè)定好CLK_FRE和BAUD_RATE這兩個參數(shù)即可。

測試程序

測試程序設(shè)計FPGA為1秒向串口發(fā)送一次“HELLO ALINX/r/n”,不發(fā)送期間，如果接受到串口數(shù)據(jù)，直接把接收到的數(shù)據(jù)送到發(fā)送模塊再返回。“/r/n”,在這里和C語言中表示一致，都是回車換行。

測試程序分別例化了發(fā)送模塊和接收模塊，同時將參數(shù)傳遞進(jìn)去，波特率設(shè)置為115200。
always@(posedge sys_clk ornegedge rst_n)
begin
if(rst_n ==1'b0)
begin
wait_cnt tx_data state tx_cnt tx_data_valid end
else
case(state)
IDLE:
state SEND:
begin
wait_cnt tx_data

if(tx_data_valid ==1'b1&& tx_data_ready ==1'b1&& tx_cnt begin
tx_cnt end
elseif(tx_data_valid && tx_data_ready)//last byte sent is complete
begin
tx_cnt tx_data_valid state end
elseif(~tx_data_valid)
begin
tx_data_valid end
end
WAIT:
begin
wait_cnt

if(rx_data_valid ==1'b1)
begin
tx_data_valid tx_data end
elseif(tx_data_valid && tx_data_ready)
begin
tx_data_valid end
elseif(wait_cnt >= CLK_FRE *1000000)// wait for 1 second
state end
default:
state endcase
end

//combinational logic
//Send "HELLO ALINX/r/n"
always@(*)
begin
case(tx_cnt)
8'd0: tx_str 8'd1: tx_str 8'd2: tx_str 8'd3: tx_str 8'd4: tx_str 8'd5: tx_str 8'd6: tx_str 8'd7: tx_str 8'd8: tx_str 8'd9: tx_str 8'd10: tx_str 8'd11: tx_str 8'd12: tx_str default:tx_str endcase
end
uart_rx#
(
.CLK_FRE(CLK_FRE),
.BAUD_RATE(115200)
) uart_rx_inst
(
.clk (sys_clk ),
.rst_n (rst_n ),
.rx_data (rx_data ),
.rx_data_valid (rx_data_valid ),
.rx_data_ready (rx_data_ready ),
.rx_pin (uart_rx )
);

uart_tx#
(
.CLK_FRE(CLK_FRE),
.BAUD_RATE(115200)
) uart_tx_inst
(
.clk (sys_clk ),
.rst_n (rst_n ),
.tx_data (tx_data ),
.tx_data_valid (tx_data_valid ),
.tx_data_ready (tx_data_ready ),
.tx_pin (uart_tx )
);

3. 仿真
這里我們添加了一個串口接收的激勵程序vtf_uart_test.v文件，用來仿真uart串口接收。這里向串口模塊的uart_rx發(fā)送0xa3的數(shù)據(jù), 每位的數(shù)據(jù)按115200的波特率發(fā)送，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位和1位停止位。

仿真的結(jié)果如下，當(dāng)程序接收到8位數(shù)據(jù)的時候，rx_data_valid有效，rx_data[7:0]的數(shù)據(jù)位a3。

實(shí)驗(yàn)測試

將AN3485模塊插到J11擴(kuò)展口上，這里使用了USB轉(zhuǎn)RS232/RS485/RS422的設(shè)備，由于很多電腦都沒有9針的串行接口，我們通過串口線與USB轉(zhuǎn)串口設(shè)備連接，再通過USB連接到電腦上。如果電腦有串口的話，可以直接連接串口。

在設(shè)備管理器中找到串口號”COM5”

打開串口調(diào)試，端口選擇“COM5”（根據(jù)自己情況選擇），波特率設(shè)置115200，檢驗(yàn)位選None，數(shù)據(jù)位選8，停止位選1，然后點(diǎn)擊“打開串口”。此軟件在例程文件夾下。

打開串口以后，每秒可收到“HELLO ALINX”，在發(fā)送區(qū)輸入框輸入要發(fā)送的文字，點(diǎn)擊“手動發(fā)送”，可以看到接收到自己發(fā)送的字符。