基于RS422通信的FPGA软件设计第五天

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。（大端模式）

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。

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。

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）

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）：

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。

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。

设计思路

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，实现功能验证

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。

版权声明：本文为CSDN博主「fpgaer0630」的原创文章，遵循CC 4.0 BY-SA版权协议，转载请附上原文出处链接及本声明。
原文链接：https://blog.csdn.net/qq_31799983/article/details/94880571

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。

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：

• 接收模块

• 缓存处理模块

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：

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：

当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。

在整个工程中，FIFO的作用是当输入数据有效时，将数据写入到FIFO中，但是一旦写入的数据总数超过了60个，就会将数据自动读出。当检测到FIFO中的数据量是0或者下游的数据处理模块处于繁忙状态时，则系统读使能失效。

目前还有三个任务：

• 对于奇校验的实现

  对于接收端而言，需要在程序中接收发送过来的数据校验位，而后在对接收到的数据生成一个奇校验位，并且将其与接收到的校验位进行比较，如果一致，则说明姐搜到的数据没有问题，可以接收。

  对于发送端而言，亦需要在程序中按照接收到的数据，生成奇校验位，并且将其和数据一并发送到下游的接收端。

• 对于发送和接收流程的编写

  20210515完成

• 系统修改整个工程

  简单完成了修改，并没有更改FIFO的宽度和深度，故下午要解决如何用Vivado生成Verilog语言的FIFO核。解决问题的办法是因为Vivado支持混合编程，所以即使生成的是VHDL的IP核，也是可以在Verilog代码的工程中，进行例化声明，直接使用的。并且经过综合后，依旧可以完美的运行在工程中。

• 绘制FIFO的软件流程图

剩余部分是需要对整个工程进行仿真分析，验证其设计的可靠性和功能性是否完备。但因为还不太熟悉testbench的书写部分，所以还没有完成系统的仿真工作。

四、 问题思考

1）软件允许的最大码率偏差为多少何计算/p>

串口通信必须要设定波特率，本设计采用的波特率为115200 bit／s。产生波特率的时钟频率是越高越好，这样才可产生较高且精确的波特率。设计选用40M主频率要产生115200bit／s波特率，每传送一位数据需要347.222个时钟周期。取一个最接近的数是347，则波特率为115273.7752161383，其误差约为0.006％，误码率很低可以确保通信正常。

2）采用什么方法可以进一步降低通信误码率/p>

对于本设计，可以选择在每一位数据的传输的中间位置进行采样，因为每一位数据的交替处，数值不稳定。也可以提升采样率，使用比数据波特率高n倍(n≥2)速率的时钟对数据进行采样。

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))

[参考八：FPGA Base 奇偶校验_Tony-CSDN博客](FPGA Base 奇偶校验_Tony-CSDN博客)

[参考九：在verilog中调用VHDL模块 – yf869778412 – 博客园 (cnblogs.com)](在verilog中调用VHDL模块 – yf869778412 – 博客园 (cnblogs.com))

[参考十：FPGA小白学习之路（6）串口波特率问题的处理 – kybyano – 博客园 (cnblogs.com)](FPGA小白学习之路（6）串口波特率问题的处理 – kybyano – 博客园 (cnblogs.com))

来源：皇甫春云