原創宣告：

本原創教程由芯驛電子科技（上海）有限公司（ALINX）創作，版權歸本公司所有，如需轉載，需授權並註明出處。

適用於板卡型號：

AXU2CGA/AXU2CGB/AXU3EG/AXU4EV-E/AXU4EV-P/AXU5EV-E/AXU5EV-P /AXU9EG/AXU15EG

實驗Vivado工程為“rs232_test”。

本章採用AN3485模組的RS232電路實現UART資料傳輸。

1.模組介紹

AN3845模組專門為工業現場應用設計的RS232/485/422通訊模組。它包含一路RS232介面，2路RS485和2路RS422通訊介面。配合開發板實現RS232、485和422的資料遠端傳輸和通訊。RS232、485和422介面分別採用MAX3232、MAX3485和MAX3490晶片作為電平轉換晶片。模組留有一個40針的排母用於連線開發板，RS232介面為一個標準的DB9串列埠公座，通過串列埠線直接連線電腦或者其他裝置； RS485和RS422介面採用接線端子跟外部連線，超遠距離傳輸可達上千米，另外RS485和RS422介面部分帶有正負15KV的ESD防護功能。

AN3845模組實物照片如下：

AN3845通訊模組正面圖

1.1 模組引數說明

以下為AN3485通訊模組的詳細引數:

RS232介面

• 一路標準的DB9公座序列介面；
• 使用MAX3232作為RS232和 TTL電平的轉換；
• 傳輸率高達120Kbps資料通訊速率

RS485介面

• 兩路RS485介面，採用3線的接線端子；
• 使用MAX3485作為RS485和TTL的電平轉換;
• 工業級設計，抗干擾能力超強，同時採用有效的防雷設計;
• 具有120歐匹配電阻，插上跳線帽即可使能匹配電阻，長距離傳輸時建議短接。
• 支援多機通訊，允許接在最多128個裝置的總線上
• 傳輸率高達500Kbps資料通訊速率。

RS422介面

• 兩路RS422介面，採用5線的接線端子；
• 使用MAX3490作為RS422和TTL的電平轉換;
• 工業級設計，抗干擾能力超強，同時採用有效的防雷設計;
• 具有120歐匹配電阻，插上跳線帽即可使能匹配電阻，長距離傳輸時建議短接。
• 支援多機通訊，允許接在最多128個裝置的總線上
• 傳輸率高達500Kbps資料通訊速率。

1.2 模組功能說明

AN3485模組的RS232介面採用MAX3232晶片實現RS232和+3.3V TTL電平的轉換。TTL電平的串列埠接收和傳送訊號（RXD, TXD）連線到40針的聯結器上跟外面的FPGA晶片或者ARM晶片實現串列埠通訊。RS232串列埠通訊的最高速度為120kbps，RS232介面的原理設計圖如下圖所示。

2. 程式設計

本文所述的串列埠指非同步序列通訊，非同步序列是指UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），通用非同步接收/傳送。本實驗程式設計為每秒鐘向串列埠傳送”HELLO ALINX”，如果收到RXD接收的資料，再把接收的資料傳送出去，實現迴環的功能。

2.1 非同步串列埠通訊協議

訊息幀從一個低位起始位開始，後面是7個或8個數據位，一個可用的奇偶位和一個或幾個高位停止位。接收器發現開始位時它就知道資料準備傳送，並嘗試與傳送器時鐘頻率同步。如果選擇了奇偶校驗，UART就在資料位後面加上奇偶位。奇偶位可用來幫助錯誤校驗。在接收過程中，UART從訊息幀中去掉起始位和結束位，對進來的位元組進行奇偶校驗，並將資料位元組從序列轉換成並行。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，停止位和空閒位都是高電平，也就是說沒有資料傳輸時是高電平，利用這個特點我們可以準確接收資料，當一個下降沿事件發生時，我們認為將進行一次資料傳輸。

2.2 波特率

常見的串列埠通訊波特率有2400 、9600、115200等，傳送和接收波特率必須保持一致才能正確通訊。波特率是指1秒最大傳輸的資料位數，包括起始位、資料位、校驗位、停止位。假如通訊波特率設定為9600，那麼一個數據位的時間長度是1/9600秒，本實驗中的波特率由50MHz時鐘產生。

2.3 接收模組設計

串列埠接收模組uart_rx是個引數化可配置模組，引數“CLK_FRE”定義接收模組的系統時鐘頻率，單位是Mhz，引數“BAUD_RATE”是波特率。接收狀態機狀態轉換圖如下：

“S_IDLE”狀態為空閒狀態，上電後進入“S_IDLE”，如果訊號“rx_pin”有下降沿，我們認為是串列埠的起始位，進入狀態“S_START”,等一個BIT時間起始位結束後進入資料位接收狀態“S_REC_BYTE”,本實驗中資料位設計是8位，接收完成以後進入“S_STOP”狀態，在“S_STOP”沒有等待一個BIT週期，只等待了半個BIT時間，這是因為如果等待了一個週期，有可能會錯過下一個資料的起始位判斷，最後進入“S_DATA”狀態，將接收到的資料送到其他模組。在這個模組我們提一點：為了滿足取樣定理，在接受資料時每個資料都在波特率計數器的時間中點進行取樣，以避免資料出錯的情況：

//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：本實驗沒有設計奇偶校驗位。

串列埠接收模組uart_rx埠

2.4 傳送模組設計

傳送模組uart_tx設計和接收模組相似，也是使用狀態機，狀態轉換圖如下：

上電後進入“S_IDLE”空閒狀態，如果有傳送請求，進入傳送起始位狀態“S_START”,起始位傳送完成後進入傳送資料位狀態“S_SEND_BYTE”,資料位傳送完成後進入傳送停止位狀態“S_STOP”,停止位傳送完成後又進入空閒狀態。在資料傳送模組中，從頂層模組寫入的資料直接傳遞給暫存器‘tx_reg’，並通過‘tx_reg’暫存器模擬串列埠傳輸協議在狀態機的條件轉換下進行資料傳送：

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

串列埠傳送模組uart_tx埠

2.5 波特率的產生

在傳送和接收模組中，聲明瞭引數CYCLE，也就是UART一個週期的計數值，當然計數是在50MHz時鐘下進行的。使用者只要設定好CLK_FRE和BAUD_RATE這兩個引數即可。

測試程式

測試程式設計FPGA為1秒向串列埠傳送一次“HELLO ALINX\r\n”,不傳送期間，如果接受到串列埠資料，直接把接收到的資料送到傳送模組再返回。“\r\n”,在這裡和C語言中表示一致，都是回車換行。

測試程式分別例化了傳送模組和接收模組，同時將引數傳遞進去，波特率設定為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. 模擬

這裡我們添加了一個串列埠接收的激勵程式vtf_uart_test.v檔案，用來模擬uart串列埠接收。這裡向串列埠模組的uart_rx傳送0xa3的資料, 每位的資料按115200的波特率傳送，1位起始位，8位資料位和1位停止位。

模擬的結果如下，當程式接收到8位資料的時候，rx_data_valid有效，rx_data[7:0]的資料位a3。

實驗測試

將AN3485模組插到J11擴充套件口上，這裡使用了USB轉RS232/RS485/RS422的裝置，由於很多電腦都沒有9針的序列介面，我們通過串列埠線與USB轉串列埠裝置連線，再通過USB連線到電腦上。如果電腦有串列埠的話，可以直接連線串列埠。

在裝置管理器中找到串列埠號”COM5”

開啟串列埠除錯，埠選擇“COM5”（根據自己情況選擇），波特率設定115200，檢驗位選None，資料位選8，停止位選1，然後點選“開啟串列埠”。此軟體在例程資料夾下。

開啟串列埠以後，每秒可收到“HELLO ALINX”，在傳送區輸入框輸入要傳送的文字，點選“手動傳送”，可以看到接收到自己傳送的字元。