作者：ALINX

* 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，需授權并注明出處。

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

實驗Vivado工程為“rs232_test”。

本章采用AN3485模塊的RS232電路實現UART數據傳輸。

1.模塊介紹
AN3845模塊專門為工業現場應用設計的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。配合開發板實現RS232、485和422的數據遠程傳輸和通信。RS232、485和422接口分別采用MAX3232、MAX3485和MAX3490芯片作為電平轉換芯片。模塊留有一個40針的排母用于連接開發板，RS232接口為一個標準的DB9串口公座，通過串口線直接連接電腦或者其他設備； RS485和RS422接口采用接線端子跟外部連接，超遠距離傳輸可達上千米，另外RS485和RS422接口部分帶有正負15KV的ESD防護功能。

AN3845模塊實物照片如下：

AN3845通信模塊正面圖

1.1 模塊參數說明

以下為AN3485通信模塊的詳細參數:

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芯片實現RS232和+3.3V TTL電平的轉換。TTL電平的串口接收和發送信號（RXD, TXD）連接到40針的連接器上跟外面的FPGA芯片或者ARM芯片實現串口通信。RS232串口通信的最高速度為120kbps，RS232接口的原理設計圖如下圖所示。

2. 程序設計
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/發送。本實驗程序設計為每秒鐘向串口發送”HELLO ALINX”，如果收到RXD接收的數據，再把接收的數據發送出去，實現回環的功能。

2.1 異步串口通信協議

消息幀從一個低位起始位開始，后面是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數據準備發送，并嘗試與發送器時鐘頻率同步。如果選擇了奇偶校驗，UART就在數據位后面加上奇偶位。奇偶位可用來幫助錯誤校驗。在接收過程中，UART從消息幀中去掉起始位和結束位，對進來的字節進行奇偶校驗，并將數據字節從串行轉換成并行。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，也就是說沒有數據傳輸時是高電平，利用這個特點我們可以準確接收數據，當一個下降沿事件發生時，我們認為將進行一次數據傳輸。

2.2 波特率

常見的串口通信波特率有2400 、9600、115200等，發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秒最大傳輸的數據位數，包括起始位、數據位、校驗位、停止位。假如通信波特率設定為9600，那么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 接收模塊設計

串口接收模塊uart_rx是個參數化可配置模塊，參數“CLK_FRE”定義接收模塊的系統時鐘頻率，單位是Mhz，參數“BAUD_RATE”是波特率。接收狀態機狀態轉換圖如下：

“S_IDLE”狀態為空閑狀態，上電后進入“S_IDLE”，如果信號“rx_pin”有下降沿，我們認為是串口的起始位，進入狀態“S_START”,等一個BIT時間起始位結束后進入數據位接收狀態“S_REC_BYTE”,本實驗中數據位設計是8位，接收完成以后進入“S_STOP”狀態，在“S_STOP”沒有等待一個BIT周期，只等待了半個BIT時間，這是因為如果等待了一個周期，有可能會錯過下一個數據的起始位判斷，最后進入“S_DATA”狀態，將接收到的數據送到其他模塊。在這個模塊我們提一點：為了滿足采樣定理，在接受數據時每個數據都在波特率計數器的時間中點進行采樣，以避免數據出錯的情況：
//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：本實驗沒有設計奇偶校驗位。

串口接收模塊uart_rx端口

2.4 發送模塊設計

發送模塊uart_tx設計和接收模塊相似，也是使用狀態機，狀態轉換圖如下：

上電后進入“S_IDLE”空閑狀態，如果有發送請求，進入發送起始位狀態“S_START”,起始位發送完成后進入發送數據位狀態“S_SEND_BYTE”,數據位發送完成后進入發送停止位狀態“S_STOP”,停止位發送完成后又進入空閑狀態。在數據發送模塊中，從頂層模塊寫入的數據直接傳遞給寄存器‘tx_reg’，并通過‘tx_reg’寄存器模擬串口傳輸協議在狀態機的條件轉換下進行數據傳送：

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

串口發送模塊uart_tx端口

2.5 波特率的產生

在發送和接收模塊中，聲明了參數CYCLE，也就是UART一個周期的計數值，當然計數是在50MHz時鐘下進行的。用戶只要設定好CLK_FRE和BAUD_RATE這兩個參數即可。

測試程序

測試程序設計FPGA為1秒向串口發送一次“HELLO ALINX/r/n”,不發送期間，如果接受到串口數據，直接把接收到的數據送到發送模塊再返回。“/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送模塊和接收模塊，同時將參數傳遞進去，波特率設置為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發送0xa3的數據, 每位的數據按115200的波特率發送，1位起始位，8位數據位和1位停止位。

仿真的結果如下，當程序接收到8位數據的時候，rx_data_valid有效，rx_data[7:0]的數據位a3。

實驗測試

將AN3485模塊插到J11擴展口上，這里使用了USB轉RS232/RS485/RS422的設備，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轉串口設備連接，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。

在設備管理器中找到串口號”COM5”

打開串口調試，端口選擇“COM5”（根據自己情況選擇），波特率設置115200，檢驗位選None，數據位選8，停止位選1，然后點擊“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”，在發送區輸入框輸入要發送的文字，點擊“手動發送”，可以看到接收到自己發送的字符。