基于RS422通信的FPGA软件设计第四天

基于RS422通信的接收端FPGA软件设计报告

一、需求分析

1 设计输入

1）发送端采用RS-422标准异步串行协议，波特率为115.2kbps，每个字节发送时包含1bit起始位，8bit数据位，1bit奇校验位，1bit停止位。数据字节内部的传输顺序为低位在前高位在后，高字节在前低字节在后。（大头模式）

2）软件版本使用Vivado2016.1，硬件平台选择Xilinx A7系列XC7A100T；

3）FPGA的系统时钟为40MHz；

2 具体要求

1）设计一个异步422接收端FPGA软件，并将接收到的数据按字节写入FPGA内部FIFO中；

2）要求画出软件实现流程图；

3）软件编写完成后，要求对其输出接口进行仿真，并给出仿真结果；

二、详细设计

串口通信理论学习

我们都知道，在一般情况下我们会使用串口进行通讯，但是这种串口只适合连接2个设备之间，因此存在很多不方便之处（比如我们进行一对多的通讯），制约了串行数据的收发，这个时候我们就可能需要用到485通讯协议。除了RS485以外，常见的还有RS232和RS422。

1 RS485、RS232、RS422各协议简介

RS485：2线式（A、B）、半双工、点对多主从通讯（4线制因只能点对点已经淘汰）

RS485采用差分信号负逻辑，同一总线上最多可以挂接32个节点。缺点就是共模干扰问题和EMI问题。

RS232：3线制（RXD、TXD、GND）、全双工、点对点通讯（因点对点通讯方式而无法联网，导致出现RS485）

RS232是异步传输接口，即电脑上的COM口，有9个引脚（DB-9）或者是25个引脚（DB-25）的型态出现。RS232-C标准规定的数据传输速率为50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400波特。

RS422：4线制、全双工、点对多主从通讯（实际上还有一根信号地线，共5根线）

RS422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”。允许在相同传输线上连接多个接受节点，最多可接256个节点。

支持RS422接口芯内片有（MAX488,MAX490；MAX489,MAX491）

2 RS485、RS232、RS422的区别

1）通讯距离

RS232口最大通讯距离是15米，而RS422/485最大通讯距离是1200米。

2）所连接设备个数

RS232只能连接一个设备，而RS485可以连接多个设备。

3）这三种端口的定义

RS232是标准接口，为D形9针头，所连接设备的接口的信号定义是一样的。

而RS422/RS485为非标准接口，一般为15针串行接口（也有使用9针接口的），每个设备的引脚定义也不一样。另外还需要说明的是，RS422和RS485也有区别：RS422为4线制，全双工模式；RS485为两线制，半双工模式。

RS-232、RS-422与RS-485都是串行数据接口标准，RS-232是PC机与通信中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯，而RJ45接口通常用于数据传输，最常见的应用为网卡接口。

9针RS232串口线序（DB9）

1 CD 载波侦测（Carrier Detect）

2 RXD 接收数据（Receive）

3 TXD 发送数据（Transmit）

4 DTR 数据终端准备（Data Terminal Ready）

5 GND 地线（Ground）

6 DSR 数据准备好（Data Set Ready）

7 RTS 请求发送（Request To Send）

8 CTS 清除发送（Clear To Send）

9 RI 振铃指示（Ring Indicator）

至于哪一个是1，我们要看具体的线材，分为交叉和直接两种接法（下图是普通的接口图，一般1234的位置都是这样的）：

3 RS232，RS485的特性区别

1）RS485的电气特性：首先，逻辑性简单，十分容易表示。逻辑“1”表示的就是2到6V的电压值，逻辑“0”表示的就是-2到-6V的电压值。接口方面不易损坏，耐用。并且能与TTL兼容，使用方便，便捷。

2）RS485的数据最高传输速率为10Mbps。

3）RS485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，也就是说有很不错的抵御外界干扰的能力。

4） RS485接口拥有最大的传输长度规定是3900英尺，但是实际上应该能达到 2900M，并且RS232-C接口只能有一个发生器与它连接，这就叫做单站能力。但是RS485接口它可以在总线上与其他一百二十八个发生器相连。这就叫做多站能力,所以说使用者就能够使用一个RS485接口非常简单地建立起设备网络。

并且RS485有十分不错的抵抗外界干扰的能力，正是因为它拥有很远的传输距离，然后还有多站能力，这才使它在工业上得到了广泛响应。正是由于RS485接口组成的半双工网络，通常来讲要2根线，也是因为这样RS485接口都使用的是屏蔽双绞线传输。RS485接口连接器采用DB-9的9芯插头座，智能终端RS485接口采用DB-9孔，与键盘连接的键盘接口RS485采用DB-9针。

4 RS232与RS422之间转换原理和接法

大多数的时候我们日常生活中对视频、录像、换台等直接的播出以及切换控制用到的都是串口接口，绝大多数用到的都是RS232、RS422与RS485这3种。之后我们要说的就是串口的规定，用到的部件和电缆，我们将对他们进行分别阐述。

RS232、RS422与RS485标准仅仅是关于接口的电气特点存在标准，它是不会关系到插件、电缆和协议，建立在这个要求之上我们使用者能够建立属于我们的高层通信协议。

RS232、RS422和RS485他们都属于串行的数据接口，并且还都是由EIA颁发的，RS232是于1962年颁发的。RS422完全是RS232改进而来的，为了提高RS232通信长度不够用、效率不高的问题，RS422规定了一种平衡通信接口，它能够把传输速率提升至10Mbps，传输长度提高至3900英尺处于速率小于100Kbps时，还能够在一条平衡总线上连接十个接收器。

故整体的设计思路是先完成单个的RS232通信，然后再在程序中进行例化声明，来实现RS422的通信即可。具体的执行步骤如下：

第一步：调通RS232通信的接收端的程序并进行简单仿真，进行功能验证

第二步：了解RS422通信是如何和RS232通信建立的联系，得出修改建议

第三步：进行系统的联合调试

串口通讯(Serial Communication)是一种非常常用的串行通讯方式，无论是学习单片机还是 FPGA，都会从它开始入手。该协议采用异步通信的方式，在 FPGA 与其他设备如 ARM、DSP、PC间通信使用非常广泛。我们常说的UART、RS232、RS422、RS485都是采用了这种通讯协议，其接口时序都是一致的，只是具体的物理层的电平的不同。

因此，无论是RS232协议，还是RS485、RS422协议，我们都可以直接将串口的代码拿过来用，具体的物理层上的电平转换是由硬件实现的，我们不需关心。

上图是采用MAX488电平转换芯片实现的基于RS422串口通信协议和主控模块进行通信的典型电路。并且作者根据实际的使用条件，对官方手册中的A和B管脚添加了4.7k上拉电阻和4.7k的下拉电阻，解决了通信异常的问题。

这里着重讲解串口的接口时序及其在FPGA上的实现。

串口是由两个信号线构成，一条为接收信号 rxd，一条为发送信号线 txd。我们在与另一方进行通信前，需要约定好波特率、停止位、奇偶校验等，才能进行良好的通信。通常我们一次发送一个字节的有效数据，即一个字节。下面我们默认使用发送一个字节来进行说明。

具体的时序如下图所示，我们可以看到每一个时刻发送的数据。以发送为例，txd 在不工作时处于空闲状态，即高电平，当有数据需要发送时，txd 由 0 时刻跳转到 1 时刻，电平由高电平变为低电平并保持一个波特率的时间，跳转到时刻 2 开始发送一个数据字节的 LSB（最低位），每隔一个波特率的时间会开始发送下一个 bit，直到 8 个 bit 位发送完成，即到了时刻 9 ，开始发送校验位（具体为0还是为1需要根据发送的数据即采用的校验方式决定），在经过一个波特率时间后，开始发送停止位（如果停止位设置为 1，则保持一个波特率时长的时间；如果停止位为 2，则保持 2 个波特率时长的时间），至此一帧数据发送完毕。

奇偶校验：奇校验指的是让数据位与校验位中的 1 的个数为奇数，偶校验则让数据位与校验位中的 1 的个数为偶数。

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经过上述的内容学习，从理论上理解了RS232通信到RS422通信的过渡，即差分信号已经经过了芯片的处理。

5 RS232通信回环实验设计

这个是实现RS422通信的一个关键步骤，这里采用自顶向下的设计方式，实现回环实验，需要设计一个顶层模块，顶层模块又包括发送模块，接收模块，数据处理模块和上位机软件四个部分组成，具体的框图如下所示：

下面逐一介绍上述顶层模块和其中三个模块的功能和外部引脚定义。

顶层模块

顶层模块
引脚定义	方向	位宽	含义
rst	输入	1bit	实现串口的全局复位
clk	输入	1bit	为串口通信实现时钟
rx_uart	输入	1bit	数据的输入端
tx_uart	输出	1bit	数据的输出端

接收模块

UART_RX模块
引脚定义	方向	位宽	含义
clk	输入	1bit	为串口接收模块提供时钟
rst	输入	1bit	对串口接收模块进行复位操作
rx_uart	输入	1bit	作为串口模块对外的输入接口
uart_in	输出	8bit	作为串口模块内部的数据输出接口
uart_in_vld	输出	1bit	指明当前接受到的数据是有效的，高有效

发送模块

UART_TX模块
引脚定义	方向	位宽	含义
rst	输入	1bit	实现发送模块的复位
clk	输入	1bit	为发送模块提供时钟
uart_out	输入	8bit	作为串口内部的数据输入接口
uart_out_vld	输入	1bit	指明当前发送的数据是有效的
tx_uart	输出	1bit	作为串口模块对外发送数据的接口
uart_rdy	输出	1bit	指明当前发送模块的忙闲状态，高为闲，低为忙

缓存处理模块

缓存处理模块
引脚定义	方向	位宽	含义
clk	输入	1bit	为处理模块提供时钟
rst	输入	1bit	实现对处理模块的复位
uart_in	输入	8bit	接收串口内部的数据
uart_in_vld	输入	1bit	用于判断串口内部当前接收到的数据是否有效
uart_rdy	输入	1bit	判断串口内部下游的模块的闲忙状态
uart_out	输出	8bit	将串口的串行数据转换为并行输出给下游模块
uart_out_vld	输出	1bit	指示当前串口内部输出的数据是否有效

按照任务书的要求，需要传输的一帧数据的格式如下：

按照任务书的要求，设定了选用奇校验的方式，来对数据进行校验，故总共有11位。采用计数器的架构，来实现数据的接收和发送。需要设定两个计数器，一个是用于设定每1bit数据的宽度，另一个是用来统计传输的是数据帧的哪一bit。且数据的传输过程设定每一字节按照由低到高的次序进行传送，并且先发送高字节的数据，所以是属于大端模式。在设计上，已将接受模块和发送模块调试完成，使用的时候，可以再顶层文件中进行例化使用即可。

任务书要求的波特率是115200bps，系统时钟是40Mhz，所以位宽计数器的计数终值是347-1，而统计数据帧计数器的计数终值是9-1。

note：所谓异步通信，即在数据线上每一帧数据的间隔是不同的。即空闲位的多少是不同的。

串口接收模块的软件流程框图：

串口发送模块的软件流程图：

接下来想要重点谈谈数据的缓存部分，这里需要调用FPGA内部的一个FIFO的IP核，由于任务书并未给出明确的指标信息，所以这里先暂定按照如下的指标，来设计FIFO。设计一个位宽为8bit，深度为128字节的同步FIFO，且具有如下的端口：

FIFO参数
名称	位宽	方向
数据输入	8bit	输入
写使能	1bit	输入
下游模块的忙闲接收端	1bit	输入
时钟	1bit	输入
读使能	1bit	输出
深度统计端	7bit	输出
数据输出	8bit	输出

目前生成的模块使用的VHDL语言，而不是verilog语言，但是这个工程选用的目标语言是Verilog语言。能否生成自己设定语言的IP核，这个问题留在后面再研究吧。

目前还有三个任务：

对于奇校验的实现
对于发送和接收流程的编写
系统修改整个工程

三、仿真结果

四、问题思考

1）软件允许的最大码率偏差为多少？如何计算？

2）采用什么方法可以进一步降低通信误码率？

五、参考资料

[参考一：终于有人把常用的三种通讯方式：RS485、RS232、RS422讲明白了_新浪科技_新浪网 (sina.com.cn)](终于有人把常用的三种通讯方式：RS485、RS232、RS422讲明白了_新浪科技_新浪网 (sina.com.cn))

[参考二：[ZYNQ Ultrascale+ MPSOC FPGA教程]第十二章 RS422实验_ALINX技术博客-CSDN博客]([ZYNQ Ultrascale+ MPSOC FPGA教程]第十二章 RS422实验_ALINX技术博客-CSDN博客)

[参考三：[ZYNQ Ultrascale+ MPSOC FPGA教程]第十二章 RS422实验_ALINX技术博客-CSDN博客]([ZYNQ Ultrascale+ MPSOC FPGA教程]第十二章 RS422实验_ALINX技术博客-CSDN博客)

[参考四http://www.openedv.com/docs/boards/fpga/zdyz_xinqidian.html

[参考五：串口通讯协议的时序讲解_小仲0630的博客-CSDN博客_串口时序](串口通讯协议的时序讲解_小仲0630的博客-CSDN博客_串口时序)

[参考六：RS422芯片MAX488使用经验_飞翔_新浪博客 (sina.com.cn)](RS422芯片MAX488使用经验_飞翔_新浪博客 (sina.com.cn))

[参考七：01_mdyUart——串口模块_FPGA-明德扬科教 (mdy-edu.com)](01_mdyUart——串口模块_FPGA-明德扬科教 (mdy-edu.com))