2）摘自《开拓者FPGA开拓指南》关注官方微旗子暗记"大众年夜众号，获取更多资料：正点原子
3）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/thread-13912-1-1.html
第十七章 RS485串口通信实验
RS-485是针对UART串口的一种接口标准，它定义了串行通信系统中发送器和吸收器的一系
列电气特性。比较于RS-232，RS-485标准的通信系统抗滋扰能力较强，可实现长间隔数据传输，
同时支持多个收发器连接到同一个通信网络中。因此，RS-485在工业掌握领域以及有类似需求
的系统中得到了广泛的运用。
本章包括以下几个部分：
17.1 RS-485简介
17.2 实验任务
17.3 硬件设计
17.4 程序设计
17.5 下载验证
RS-485简介
在“串口通信实验”章节我们详细地先容了UART串口通信以及RS-232接口标准。实际上，
除了RS-232之外，RS-422和RS-485也都是常用的串行通信接口标准，它们定义了接口不同的电
气特性，如RS-232是单端输入输出，而RS-422/485为差分输入输出等。
在先容RS-485之前，我们先来理解一下串口通信过程中单端传输与差分传输的差别。单端
传输是指在发送或吸收过程中，用旗子暗记线对地线的电压值来表示逻辑“0”和“1”。而差分传
输利用两根旗子暗记线来传输一起旗子暗记，这两根旗子暗记线上传输的旗子暗记幅值相等，相位相差180度（极
性相反），用它们的差值来表示逻辑“0”和“1”，如图 17.1.1所示。
图 17.1.1 差分传输办法
在传输过程中，当旗子暗记线上叠加了频率、幅值和相位都相同的滋扰旗子暗记时（共模滋扰），
对付单端传输而言，由于地线电位为0，则传输的旗子暗记就包含了滋扰旗子暗记；而在差分传输办法
下，滋扰可以通过两个旗子暗记线上电压的差值抵消，相称于抑制了共模滋扰，如图 17.1.2所示。
因此相对付单端传输办法，差分传输大大提高了旗子暗记在传输过程中的抗滋扰能力，但是须要多
余的旗子暗记线来实现旗子暗记传输。
图 17.1.2 差分传输抑制共模滋扰
RS-232接口标准涌现较早，旗子暗记采取负逻辑电平、单端传输办法事情。通过一根旗子暗记线发
送，一根旗子暗记线吸收，加上一根地线，RS-232可实现全双工通信。由于单端传输办法抗滋扰能
力差，导致RS-232标准通信间隔短（小于15米），数据传输速率低等问题。其余RS-232仅支持
一对一通信，存在无法实现多个设备互联的缺陷。
RS-422由RS-232发展而来，它是为填补RS-232之不敷而提出的。RS-422采取差分传输（又
称平衡传输）办法，将最大传输速率提高到10Mbps；当传输速率在100kbps以下时，传输间隔
可达1200米。由于采取差分传输办法，RS-422须要4根旗子暗记线来实现全双工通信，两根用于发
送、两根用于吸收，一样平常会再加上一根地线。RS-422许可在一条传输总线上连接最多10个吸收
器，从而实现单个设备发送，多个设备吸收的功能。
为扩展运用范围，在RS-422根本上又制订了RS-485标准。RS-485同样采取差分传输办法，
但是RS-485只有2根旗子暗记线，由发送和吸收共用，因此发送和吸收不能同时进行，只能实现半
双工通信。RS-485增加了多点、双向通信能力，即许可多个发送器连接到同一条总线上，各设
备通过使能旗子暗记掌握发送和吸收过程。
实验任务
本节实验任务是利用两块开拓者开拓板通过RS-485端口互联，由各自开拓板上的四个按键
分别掌握对方开拓板上四个LED灯的亮灭。当按键按下时，对方开拓板上对应的LED灯点亮；按
键开释时，对应的LED灯熄灭。
硬件设计
RS485串口部分的事理图如图 17.3.1所示。由于FPGA串口输入输出引脚为TTL电平，用3.3V
代表逻辑“1”，0V代表逻辑“0”；而RS-485电平标准采取差分旗子暗记的差值电压来代表逻辑“0”
和“1”。因此当FPGA与RS485接口标准的设备通信时，须要加电平转换芯片SP3485，实现RS485
电平与TTL电平的转换。
图 17.3.1 RS485串口事理图
由于RS-485为半双工通信办法，须要通过使能旗子暗记来掌握发送和吸收过程。在图 17.3.1
中，电平转换芯片SP3485的2号引脚为低电平吸收使能，3号引脚为高电平发送使能。在这里我
们将两个引脚连接在一起，只须要通过一个旗子暗记RS485_DE即可掌握收发过程：当RS485_DE为高
电平时，SP3485处于发送过程；当RS485_DE为低电平时，SP3485处于吸收过程。
图 17.3.2 RS232/RS485选择接口
图 17.3.2为RS232/RS485的选择接口，由上图可知，SP3485芯片端口的RS485_RX和
RS485_TX并没有直接和FPGA的引脚相连接，而是连接到开拓板的P2口，RS232串口和RS485串口
共用P2口的UART2_TX和UART2_RX，UART2_TX和UART2_RX是直接和FPGA的引脚相连接的，这样的
设计办法实现了有限IO的多种复用功能。因此，在做RS485串口通信实验时，须要利用杜邦线
或者跳帽将RS485_RX和UART2_TX连接在一起，RS485_TX和UART2_RX连接在一起。
本实验中，各端口旗子暗记的管脚分配如下表所示：
表 17.3.1 RS485串口通信实验管脚分配
程序设计
根据实验任务，我们可以大致方案出系统的掌握流程：当检测到有按键按下或开释时，将
按键数据通过RS485串口发送出去；而当RS485串口吸收到对方发送的按键数据时，根据吸收到
的数据改变LED灯的显示状态。由此画出系统的功能框图如下所示：
图 17.4.1 RS485串口实验系统框图
由系统总体框图可知，FPGA部分包括五个模块，顶层模块（rs485_uart_top）、吸收模块
（uart_recv）、发送模块（uart_send）、按键消抖模块（key_debounce）和LED灯掌握模块
（led_ctrl）。个中在顶层模块中完成对其余四个模块的例化。
由于RS-485只是对接口标准的定义，数据的传输仍旧是按照UART串口通信协议进行。因此
我们可以直接调用“串口通信实验”中的串口发送和吸收模块。在这里我们仍旧设置数据位为
8位，停滞位为1位，无校验位，波特率为115200bps。
各模块端口及旗子暗记连接如图 17.4.2所示：
图 17.4.2 顶层模块事理图
key_debounce为按键消抖模块，在检测到有按键按下或开释时对按键数据进行消抖处理，
在按键数据稳定后给出关照旗子暗记key_flag，并将数据由串口发送模块uart_send发送出去。
uart_recv为串口吸收模块，它卖力吸收对方发送的按键数据，并在一帧数据（8位）吸收结束
后给出关照旗子暗记uart_done。当LED灯掌握模块led_ctrl检测到该关照旗子暗记时，根据吸收到的按
键数据改变板卡上LED灯的显示状态。
顶层模块的代码如下：
1 module rs485_uart_top(
2 input sys_clk, //外部50M时钟
3 input sys_rst_n, //外部复位旗子暗记，低有效
4
5 input [3:0] key, //按键
6 output [3:0] led, //led灯
7 //uart接口
8 input rs485_uart_rxd, //rs485串口吸收端口
9 output rs485_uart_txd, //rs485串口发送端口
10 output rs485_tx_en //rs485发送使能，高有效
11 );
12
13 //parameter define
14 parameter CLK_FREQ = 50000000; //定义系统时钟频率
15 parameter UART_BPS = 115200; //定义串口波特率
16
17 //wire define
18 wire tx_en_w; //UART发送使能
19 wire rx_done_w; //UART吸收完毕旗子暗记
20 wire [7:0] tx_data_w; //UART发送数据
21 wire [7:0] rx_data_w; //UART吸收数据
22 wire [3:0] key_value_w; //消抖后的按键数据
23
24 //
25 // main code
26 //
27 assign tx_data_w = {4'd0,key_value_w}; //将按键消抖后的值送到发送模块
28
29 uart_recv #( //串口吸收模块
30 .CLK_FREQ (CLK_FREQ), //设置系统时钟频率
31 .UART_BPS (UART_BPS)) //设置串口吸收波特率
32 u_uart_recv(
33 .sys_clk (sys_clk),
34 .sys_rst_n (sys_rst_n),
35
36 .uart_rxd (rs485_uart_rxd),
37 .uart_done (rx_done_w),
38 .uart_data (rx_data_w)
39 );
40
41 uart_send #( //串口发送模块
42 .CLK_FREQ (CLK_FREQ), //设置系统时钟频率
43 .UART_BPS (UART_BPS)) //设置串口发送波特率
44 u_uart_send(
45 .sys_clk (sys_clk),
46 .sys_rst_n (sys_rst_n),
47
48 .uart_en (tx_en_w),
49 .uart_din (tx_data_w),
50 .uart_txd (rs485_uart_txd),
51 .tx_flag (rs485_tx_en) //rs485串口发送使能，高有效
52 );
53
54 key_debounce u_key_debounce(
55 .sys_clk (sys_clk),
56 .sys_rst_n (sys_rst_n),
57
58 .key (key),
59 .key_flag (tx_en_w), //按键有效关照旗子暗记
60 .key_value (key_value_w) //按键消抖后的数据
61 );
62
63 led_ctrl u_led_ctrl(
64 .sys_clk (sys_clk),
65 .sys_rst_n (sys_rst_n),
66
67 .led_en (rx_done_w), //led掌握使能
68 .led_data (rx_data_w[3:0]), //led掌握数据
69 .led (led)
70 );
71
72 endmodule
顶层模块中紧张完成对别的模块的例化，须要把稳的是程序第27行：由于板卡上只有4个
按键，而串口通信过程中数据位为8位，因此须要将消抖后得到的4按键位数据高位补四个零，
然后再给到串口发送模块。同样，在将吸收的按键数据用于LED灯掌握时，仅将低四位有效位
赋值给LED灯掌握模块，如第68行所示。
串口吸收程序与“串口通信实验”章节中的吸收模块完备相同，而串口发送程序有一点细
微的差异：将串口发送模块内部的“发送过程标志寄存器”tx_flag作为输出端口引出，如代
码中第51行所示。由于在发送过程中tx_flag为高电平，发送结束后tx_flag拉低，因此可以将
其赋值给RS-485串口发送使能旗子暗记rs485_tx_en，用于掌握串口通信的发送和吸收过程。
rs485_tx_en旗子暗记通过FPGA管脚与SP3485芯片的DE和RE引脚相连，因此在串口发送过程中使能
SP3485进入发送状态，其他韶光SP3485均处于吸收状态。
有关串口收发过程更详细的先容请大家参考“串口通信实验”，下面我们来先容一下其余
两个模块：按键消抖模块和LED灯掌握模块。
在机器按键按下和开释的过程中，由于机器触点的弹性浸染，按键开关在闭合的瞬间不会
立即稳定地导通，在开释时也不是急速就能完备断开。因此，在闭合及断开的瞬间均伴随有一
连串的抖动，如图 17.4.3所示。按键的抖动过程表示在数字电路中便是不断变革的高低电平，
为避免在抖动过程中采集到缺点的按键状态，我们须要对按键数据进行肃清抖动处理。
图 17.4.3 机器按键抖动过程
按键抖动的韶光是非由按键的机器特性决定，一样平常为5ms～10ms，在抖动韶光内按键状态
可能会不断的发生变革。由于按键的抖动过程持续韶光较短，很快就趋于稳定状态。因此在按
键按下及开释之后，若按键能稳定在同一状态且持续韶光达20ms，我们就认为抖动过程已经结
束，此时的采集的按键数据有效。
按键消抖模块的代码如下所示：
1 module key_debounce(
2 input sys_clk, //外部50M时钟
3 input sys_rst_n, //外部复位旗子暗记，低有效
4
5 input [3:0] key, //外部按键输入
6
7 output reg key_flag, //按键数据有效旗子暗记
8 output reg [3:0] key_value //按键消抖后的数据
9 );
10
11 //reg define
12 reg [31:0] delay_cnt;
13 reg [ 3:0] key_reg;
14
15 //
16 // main code
17 //
18 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
19 if (!sys_rst_n) begin
20 key_reg <= 4'b1111;
21 delay_cnt <= 32'd0;
22 end
23 else begin
24 key_reg <= key;
25 if(key_reg != key) //一旦检测到按键状态发生变革(有按键被按下或开释)
26 delay_cnt <= 32'd1000000; //给延时计数看重新装载初始值（计数韶光为20ms）
27 else if(key_reg == key) begin //在按键状态稳定时，计数器递减，开始20ms倒计时
28 if(delay_cnt > 32'd0)
29 delay_cnt <= delay_cnt - 1'b1;
30 else
31 delay_cnt <= delay_cnt;
32 end
33 end
34 end
35
36 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
37 if (!sys_rst_n) begin
38 key_flag <= 1'b0;
39 key_value <= 4'b1111;
40 end
41 else begin
42 if(delay_cnt == 32'd1) begin //当计数器递减到1时，解释按键稳定状态坚持了20ms
43 key_flag <= 1'b1; //此时消抖过程结束，给出一个时钟周期的标志旗子暗记
44 key_value <= key; //并寄存此时按键的值
45 end
46 else begin
47 key_flag <= 1'b0;
48 key_value <= key_value;
49 end
50 end
51 end
52
53 endmodule
程序中第25行不断检测按键状态，一旦创造按键状态发生改变时，就给计数器delay_cnt
赋初值1000000。在按键状态不发生改变时delay_cnt递减从而实现倒计时的功能，在倒计时过
程中，一旦检测到按键状态发生改变，则解释有抖动产生，此时重新给delay_cnt赋初值，并
开始新一轮倒计时。在50Mhz时钟驱动下，delay_cnt若能由1000000递减至1，则解释按键状态
保持稳定韶光达20ms，此时输出一个时钟周期的关照旗子暗记key_flag,并将此时的按键数据寄存
输出。
串口吸收模块在吸收对方发送的按键数据后，将数据低4位（高4位为零）给到LED掌握模
块，并输出关照旗子暗记uart_done。LED灯掌握模块在检测到uart_done的上升沿时，利用吸收到
的按键数据改变LED灯的显示状态。
LED灯掌握模块的代码如下：
1 module led_ctrl(
2 input sys_clk, //外部50M时钟
3 input sys_rst_n, //外部复位旗子暗记，低有效
4
5 input led_en, //led掌握使能
6 input [3:0] led_data, //led掌握数据
7
8 output reg [3:0] led //led灯
9 );
10
11 //reg define
12 reg led_en_d0;
13 reg led_en_d1;
14
15 //wire define
16 wire led_en_flag;
17
18 //
19 // main code
20 //
21 //捕获led_en上升沿，得到一个时钟周期的脉冲旗子暗记
22 assign led_en_flag = (~led_en_d1) & led_en_d0;
23
24 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
25 if (!sys_rst_n) begin
26 led_en_d0 <= 1'b0;
27 led_en_d1 <= 1'b0;
28 end
29 else begin
30 led_en_d0 <= led_en;
31 led_en_d1 <= led_en_d0;
32 end
33 end
34
35 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
36 if (!sys_rst_n)
37 led <= 4'b0000;
38 else if(led_en_flag) //在led_en上升沿到来时，改变led灯的状态
39 led <= ~led_data; //按键按下时为低电平，而led高电平时点亮
40 else
41 led <= led;
42 end
43
44 endmodule
由于开拓者开拓板上的按键在按下时为低电平，而LED为高电平时点亮，因此为了实现按
键按下时点亮对应LED灯的功能，须要将按键数据取反后赋值给LED输出端口寄存器，如代码中
第39行所示。
下载验证
首先我们打开RS485串口通信实验工程，在工程所在的路径下打开rs485_uart_top /par文
件夹，在里面找到“rs485_uart_top.qpf”并双击打开。把稳工程所在的路径名只能由字母、数字以及下划线组成，不能涌现中文、空格以及分外字符等。串口工程打开后如图 17.5.1所
示。
接下来我们将两个开拓者开拓板上的RS485接口用两根杜邦线连接起来，如图 17.5.2所
示。连接时把稳接口位置逐一对应，不要接反了。其余开拓者开拓板上的CAN接口与RS485接口
十分相像，利用时请把稳区分。还有一点须要把稳的是，两块开拓板的P2口都须要利用杜邦线
或者跳帽进行连接选择RS485口，否则无法进行RS485串口通信。然后分别将两个开拓板上的下
载器一端连电脑，另一端与开拓板上的JTAG下载端口连接，末了连接电源线并打开电源开关。
图 17.5.1 RS485串口通信实验工程
图 17.5.2 开拓者RS485接口、跳帽位置
接下来我们下载程序，验证两个开拓者开拓板上的按键通过RS-485通信端口掌握对方LED
灯亮灭的功能。工程打开后通过点击工具栏中的“Programmer”图标打开下载界面，通过“Add
File” 按 钮 选择串 口工程 中 rs485_uart_top/par/output_files 目 录 下 的
“rs485_uart_top.sof”文件，下载界面如图 17.5.3所示。
开拓板电源打开后，在程序下载界面点击“Hardware Setup”，在弹出的对话框中选择当
前的硬件连接为“USB-Blaster[USB-0]”。然后点击“Start”将工程编译完成后得到的sof文
件下载到第一块开拓板中，如图 17.5.3所示。然后重新设置硬件连接为“USB-Blaster[USB-
1]”，将“rs485_uart_top.sof”文件下载到第二块开拓板中。
图 17.5.3 程序下载完成界面
下载完成后我们依次按下任意一个开拓板上的四个按键，可以不雅观察到其余一个开拓板上对
应的LED灯在按下时点亮，开释时熄灭，解释程序下载验证成功。
