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基于RS-485接口的芯片的FPGA驱动程序

news 2025/9/2 6:54:21

1.简介

ADM3485E 是一款 3.3V 低功耗数据收发器，具有 ±15kV 的 ESD（静电放电）保护，专为多点总线传输线上的半双工通信设计。它支持平衡数据传输，符合 TIA/EIA 标准 RS-485 和 RS-422 的要求。作为一款半双工收发器，ADM3485E 采用共享差分线路设计，提供独立的驱动器和接收器启用输入，确保高效的数据传输与接收控制。这款收发器在高噪声环境下具有出色的抗干扰性能，非常适合工业自动化、通信设备及其他需要可靠数据传输的应用场景。其框架如下所示：

根据这个架构，可以推测出 ADM3485E 的工作原理。其由接收器（R）和发射器（D）两部分组成，A 和 B 是差分信号。在接收信号时，差分信号（A、B）首先进入差分放大器，放大器通过比较 A 和 B 的电压差，判断信号是高电平还是低电平。在此过程中，RE_n 是接收端差分放大器的使能信号，用于控制接收功能的启用与禁用。发射器部分的工作原理类似，数据输入到差分驱动器后，驱动器根据控制信号生成差分信号 A 和 B，从而实现信号的发送。在此过程中，DE是发送端差分放大器的使能信号，用于控制发送功能的启用与禁用。常见器件连接方式如下：

2.引脚说明

ADM3485引脚如图2所示。

下面是引脚说明：

IO	类型	功能
RO	输出-数字引脚	接收器输出端，根据差分信号A,B来输入高低电平
RE_n	输出-数字引脚	接收器输出使能，低电平有效
DE	输出-数字引脚	发送器输出使能，高电平有效
DI	输入-数字引脚	发送器的数据输入端
GND	模拟引脚	地
A	模拟引脚	差分传输线+（正向）
B	模拟引脚	差分传输线-（反向）
VCC	模拟引脚	供电电源

在电路设计中，通常会将RE_n,DE这两个使能信号短接作为一个引脚RT，低电平代表接收使能，高电平是发送使能，如图3所示。这样既可以实现控制通信的功能，也可以减少IO引脚的使用。

3.RS485协议

由于RS485协议的时序较为常见，因此ADM3485E器件手册中并未专门列出时序图。起初，我以为RS485会有独特的时序，但在查阅相关资料后，我发现RS485的时序与UART协议的时序实际上是相同的。这是因为UART协议本身并不定义具体的电气特性，它仅规定了数据传输的时序格式（如起始位、数据位、校验位和停止位）。换句话说，UART负责将并行数据转换为串行数据，而信号的实际传输则是由外部驱动电路来实现。
电信号的传输过程遵循不同的电平标准和接口规范。对于异步串行通信，常见的接口标准包括RS232、RS422和RS485等，它们定义了各自的电气特性。例如，RS232是单端信号传输，而RS422/485则采用差分信号传输。
总结来说，UART是一种协议标准，主要负责数据的串并转换；而RS485则是一种物理接口标准，专注于信号的传输方式和电气特性。虽然RS485和UART的时序相同，但它们分别代表了不同层次的协议：UART作为数据格式的定义，RS485作为接口规范。
UART 在发送或接收过程中的一帧数据由 4 部分组成，起始位、数据位、奇偶校验位和停止位，如图4所示。

各组成成分的详细信息如下表所示。

字段	描述	大小	备注
起始位 (Start Bit)	用于标识数据帧的开始。	1位	一般为逻辑低电平 (0)，表示数据的开始。因为空闲时是高电平，所以有低电平时可以识别出来。
数据位 (Data Bits)	传输的有效数据。	5-9位（常见为8位）	数据位数量可配置，常用的是8位数据。
校验位 (Parity Bit)	用于错误检测，可以选择偶校验、奇校验或无校验。	1位（可选）	校验位帮助检测数据传输中的错误。
停止位 (Stop Bit)	标识数据帧的结束。	1位、1.5位或2位	停止位可选，常见的是1位或2位。
空闲位 (Idle Bit)	在没有数据传输时，线路处于的状态。	无	当UART线路空闲时，它处于逻辑高电平 (1)。

4.verilog代码

根据ADM3485E工作的原理可知，要想实现对ADM3485E的通信控制，主要是实现UART协议帧的发送和接收。通过根据UART协议帧的结构，并配合接收和发送使能信号，即可实现对ADM3485E的通信控制。需要发送的时候开启发送使能，不发送的时候关闭发送使能。所以先实现uart发送和接收，再在外层加个控制逻辑就可以了。

uart_tx的verilog代码：

/* * file			: uart_tx.v* author		: yuluo_lhw* date			: 2025-09-01* version		: v1.0* description	: uart tx :8bit data  无校验位 1位停止位*/
module uart_tx(
input	wire			clk,				//采样时钟
input	wire			rst_n,
input	wire	[7:0]	data,
input	wire			tx_en,			//上升沿有效output	reg				tx,
output	reg				tx_done);
parameter	CLK_FREQ	= 100_000_000; //时钟频率
parameter   BAUDRATE    = 115200 ;
localparam  BAUD_CNT    = CLK_FREQ/BAUDRATE; //为得到指定波特率，对系统时钟计数 BPS_CNT 次,也就是BPS_CNT个CLK发送一个bit.  868.0wire  tx_en_pos ;
reg   tx_en_do ;
reg   tx_en_d1 ;
reg   [9:0] baud_cnt ;
reg   [3:0] bit_cnt ;
reg   tx_busy ; //1：进入发送bit阶段  0：空闲
//tx_en
assign  tx_en_pos = ~tx_en_d1& tx_en_do ;
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(~rst_n)begintx_en_do <= 0 ;tx_en_d1 <= 0 ;endelse begintx_en_do <= tx_en ;tx_en_d1 <= tx_en_do ;end
end//tx_busy
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(~rst_n)begintx_busy <= 0 ;endelse beginif(tx_en_pos) begin tx_busy <=  1 ;endelse if(bit_cnt>=9 && (baud_cnt>=BAUD_CNT-1) ) tx_busy <=  0 ; //发送玩停止位结束else tx_busy <=  tx_busy ;end
end//baud_cnt
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(~rst_n)beginbaud_cnt <= 0 ;endelse beginif(tx_busy) begin if(baud_cnt>=BAUD_CNT-1) baud_cnt <= 0 ;else baud_cnt <= baud_cnt + 1 ;endelse baud_cnt <= 0 ;end
end//bit_cnt 
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(~rst_n)beginbit_cnt <= 0 ;endelse beginif(tx_busy) begin if(baud_cnt==BAUD_CNT-1) bit_cnt <= bit_cnt + 1 ;else bit_cnt <= bit_cnt ;endelse bit_cnt <= 0 ;end
end//tx 
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(~rst_n)begintx <= 1 ;endelse beginif(tx_busy) begin case(bit_cnt)4'd0: tx <= 0 ;  //停止位4'd1: tx <= data[0] ; //小端传送4'd2: tx <= data[1] ; 4'd3: tx <= data[2] ; 4'd4: tx <= data[3] ; 4'd5: tx <= data[4] ; 4'd6: tx <= data[5] ; 4'd7: tx <= data[6] ; 4'd8: tx <= data[7] ; 4'd9: tx <= 1		; //停止位default : tx <= 1 ;endcaseend else tx <= 1 ;end
end
//tx_done
always@(posedge clk or negedge rst_n)beginif(~rst_n)begintx_done <= 1 ;endelse beginif(tx_busy) begin tx_done <= 0 ;endelse tx_done <= 1 ;end
end
endmodule

仿真代码：

`timescale 1ns / 1psmodule tb_uart_tx;reg clk;
reg rst_n;
reg [7:0] data;
reg tx_en;wire tx;
wire tx_done;uart_tx  #(
.CLK_FREQ (100_000_000),
.BAUDRATE (115200     )
) u_uart_tx(.clk(clk),.rst_n(rst_n),.data(data),.tx_en(tx_en),.tx(tx),.tx_done(tx_done)
);always #5 clk = ~clk ;initial beginclk = 0 ;rst_n = 0;tx_en = 0;//data1data = 8'b01010101;  #20 rst_n = 1;  #10 tx_en = 1;#10 tx_en = 0;@(posedge tx_done);  //等待上升沿//wait(tx_done == 1);//data2#10 data = 8'b11000011;  #10 tx_en = 1;#10 tx_en = 0;@(posedge tx_done);  //等待上升沿#50;$finish;
end// Monitor signals
initial begin$monitor("At time %t, tx = %b, tx_done = %b, data = %b", $time, tx, tx_done, data);
endendmodule

从以下两图数据可以看出，每个比特的传输需要 868 个时钟周期。因此，在 100MHz 时钟频率下，每秒可传输的数据量为 100,000,000/868 ≈ 115,200 比特，该结果与预期相符。