【ZYNQ Ultrascale+ MPSOC FPGA教程】第十一章 RS232实验

作者：ALINX

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

实验Vivado工程为“rs232_test”。

本章采用AN3485模块的RS232电路实现UART数据传输。

1.模块介绍
AN3845模块专门为工业现场应用设计的RS232/485/422通信模块。它包含一路RS232接口，2路RS485和2路RS422通信接口。配合开发板实现RS232、485和422的数据远程传输和通信。RS232、485和422接口分别采用MAX3232、MAX3485和MAX3490芯片作为电平转换芯片。模块留有一个40针的排母用于连接开发板，RS232接口为一个标准的DB9串口公座，通过串口线直接连接电脑或者其他设备； RS485和RS422接口采用接线端子跟外部连接，超远距离传输可达上千米，另外RS485和RS422接口部分带有正负15KV的ESD防护功能。

AN3845模块实物照片如下：

AN3845通信模块正面图

1.1 模块参数说明

以下为AN3485通信模块的详细参数:

RS232接口

RS485接口

RS422接口

1.2 模块功能说明

AN3485模块的RS232接口采用MAX3232芯片实现RS232和+3.3V TTL电平的转换。TTL电平的串口接收和发送信号（RXD, TXD）连接到40针的连接器上跟外面的FPGA芯片或者ARM芯片实现串口通信。RS232串口通信的最高速度为120kbps，RS232接口的原理设计图如下图所示。

2. 程序设计
本文所述的串口指异步串行通信，异步串行是指UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），通用异步接收/发送。本实验程序设计为每秒钟向串口发送”HELLO ALINX”，如果收到RXD接收的数据，再把接收的数据发送出去，实现回环的功能。

2.1 异步串口通信协议

消息帧从一个低位起始位开始，后面是7个或8个数据位，一个可用的奇偶位和一个或几个高位停止位。接收器发现开始位时它就知道数据准备发送，并尝试与发送器时钟频率同步。如果选择了奇偶校验，UART就在数据位后面加上奇偶位。奇偶位可用来帮助错误校验。在接收过程中，UART从消息帧中去掉起始位和结束位，对进来的字节进行奇偶校验，并将数据字节从串行转换成并行。UART 传输时序如下图所示：

从波形上可以看出起始位是低电平，停止位和空闲位都是高电平，也就是说没有数据传输时是高电平，利用这个特点我们可以准确接收数据，当一个下降沿事件发生时，我们认为将进行一次数据传输。

2.2 波特率

常见的串口通信波特率有2400 、9600、115200等，发送和接收波特率必须保持一致才能正确通信。波特率是指1秒最大传输的数据位数，包括起始位、数据位、校验位、停止位。假如通信波特率设定为9600，那么一个数据位的时间长度是1/9600秒，本实验中的波特率由50MHz时钟产生。

2.3 接收模块设计

串口接收模块uart_rx是个参数化可配置模块，参数“CLK_FRE”定义接收模块的系统时钟频率，单位是Mhz，参数“BAUD_RATE”是波特率。接收状态机状态转换图如下：

“S_IDLE”状态为空闲状态，上电后进入“S_IDLE”，如果信号“rx_pin”有下降沿，我们认为是串口的起始位，进入状态“S_START”,等一个BIT时间起始位结束后进入数据位接收状态“S_REC_BYTE”,本实验中数据位设计是8位，接收完成以后进入“S_STOP”状态，在“S_STOP”没有等待一个BIT周期，只等待了半个BIT时间，这是因为如果等待了一个周期，有可能会错过下一个数据的起始位判断，最后进入“S_DATA”状态，将接收到的数据送到其他模块。在这个模块我们提一点：为了满足采样定理，在接受数据时每个数据都在波特率计数器的时间中点进行采样，以避免数据出错的情况：
//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：本实验没有设计奇偶校验位。

串口接收模块uart_rx端口

2.4 发送模块设计

发送模块uart_tx设计和接收模块相似，也是使用状态机，状态转换图如下：

上电后进入“S_IDLE”空闲状态，如果有发送请求，进入发送起始位状态“S_START”,起始位发送完成后进入发送数据位状态“S_SEND_BYTE”,数据位发送完成后进入发送停止位状态“S_STOP”,停止位发送完成后又进入空闲状态。在数据发送模块中，从顶层模块写入的数据直接传递给寄存器‘tx_reg’，并通过‘tx_reg’寄存器模拟串口传输协议在状态机的条件转换下进行数据传送：

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

串口发送模块uart_tx端口

2.5 波特率的产生

在发送和接收模块中，声明了参数CYCLE，也就是UART一个周期的计数值，当然计数是在50MHz时钟下进行的。用户只要设定好CLK_FRE和BAUD_RATE这两个参数即可。

测试程序

测试程序设计FPGA为1秒向串口发送一次“HELLO ALINX/r/n”,不发送期间，如果接受到串口数据，直接把接收到的数据送到发送模块再返回。“/r/n”,在这里和C语言中表示一致，都是回车换行。

测试程序分别例化了发送模块和接收模块，同时将参数传递进去，波特率设置为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
这里我们添加了一个串口接收的激励程序vtf_uart_test.v文件，用来仿真uart串口接收。这里向串口模块的uart_rx发送0xa3的数据, 每位的数据按115200的波特率发送，1位起始位，8位数据位和1位停止位。

仿真的结果如下，当程序接收到8位数据的时候，rx_data_valid有效，rx_data[7:0]的数据位a3。

实验测试

将AN3485模块插到J11扩展口上，这里使用了USB转RS232/RS485/RS422的设备，由于很多电脑都没有9针的串行接口，我们通过串口线与USB转串口设备连接，再通过USB连接到电脑上。如果电脑有串口的话，可以直接连接串口。

在设备管理器中找到串口号”COM5”

打开串口调试，端口选择“COM5”（根据自己情况选择），波特率设置115200，检验位选None，数据位选8，停止位选1，然后点击“打开串口”。此软件在例程文件夹下。

打开串口以后，每秒可收到“HELLO ALINX”，在发送区输入框输入要发送的文字，点击“手动发送”，可以看到接收到自己发送的字符。