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

作者:ALINX

* 本原创教程由芯驿电子科技(上海)有限公司(ALINX)创作,版权归本公司所有,如需转载,需授权并注明出处。

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

  • 一路标准的DB9公座串行接口;
  • 使用MAX3232作为RS232和 TTL电平的转换;
  • 传输率高达120Kbps数据通讯速率
  • RS485接口

  • 两路RS485接口,采用3线的接线端子;
  • 使用MAX3485作为RS485和TTL的电平转换;
  • 工业级设计,抗干扰能力超强,同时采用有效的防雷设计;
  • 具有120欧匹配电阻,插上跳线帽即可使能匹配电阻,长距离传输时建议短接。
  • 支持多机通讯,允许接在最多128个设备的总线上
  • 传输率高达500Kbps数据通讯速率。
  • RS422接口

  • 两路RS422接口,采用5线的接线端子;
  • 使用MAX3490作为RS422和TTL的电平转换;
  • 工业级设计,抗干扰能力超强,同时采用有效的防雷设计;
  • 具有120欧匹配电阻,插上跳线帽即可使能匹配电阻,长距离传输时建议短接。
  • 支持多机通讯,允许接在最多128个设备的总线上
  • 传输率高达500Kbps数据通讯速率。
  • 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 <=8'd0;
    elseif(state == S_REC_BYTE && cycle_cnt == CYCLE/2-1)
    rx_bits[bit_cnt]<= rx_pin;
    else
    rx_bits <= 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 <=1'b1;
    else
    case(state)
    S_IDLE,S_STOP:
    tx_reg <=1'b1;
    S_START:
    tx_reg <=1'b0;
    S_SEND_BYTE:
    tx_reg <= tx_data_latch[bit_cnt];
    default:
    tx_reg <=1'b1;
    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 <=32'd0;
    tx_data <=8'd0;
    state <= IDLE;
    tx_cnt <=8'd0;
    tx_data_valid <=1'b0;
    end
    else
    case(state)
    IDLE:
    state <= SEND;
    SEND:
    begin
    wait_cnt <=32'd0;
    tx_data <= tx_str;

    if(tx_data_valid ==1'b1&& tx_data_ready ==1'b1&& tx_cnt <8'd12)//Send 12 bytes data
    begin
    tx_cnt <= tx_cnt +8'd1;//Send data counter
    end
    elseif(tx_data_valid && tx_data_ready)//last byte sent is complete
    begin
    tx_cnt <=8'd0;
    tx_data_valid <=1'b0;
    state <= WAIT;
    end
    elseif(~tx_data_valid)
    begin
    tx_data_valid <=1'b1;
    end
    end
    WAIT:
    begin
    wait_cnt <= wait_cnt +32'd1;

    if(rx_data_valid ==1'b1)
    begin
    tx_data_valid <=1'b1;
    tx_data <= rx_data;// send uart received data
    end
    elseif(tx_data_valid && tx_data_ready)
    begin
    tx_data_valid <=1'b0;
    end
    elseif(wait_cnt >= CLK_FRE *1000000)// wait for 1 second
    state <= SEND;
    end
    default:
    state <= IDLE;
    endcase
    end

    //combinational logic
    //Send "HELLO ALINX\r\n"
    always@(*)
    begin
    case(tx_cnt)
    8'd0: tx_str <="H";
    8'd1: tx_str <="E";
    8'd2: tx_str <="L";
    8'd3: tx_str <="L";
    8'd4: tx_str <="O";
    8'd5: tx_str <=" ";
    8'd6: tx_str <="A";
    8'd7: tx_str <="L";
    8'd8: tx_str <="I";
    8'd9: tx_str <="N";
    8'd10: tx_str <="X";
    8'd11: tx_str <="\r";
    8'd12: tx_str <="\n";
    default:tx_str <=8'd0;
    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。

    最新文章