时间：2025-03-04 来源：FPGA_UCY 关于我们 0
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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接收器的一系
列电气特性。相比于RS-232，RS-485标准的通信系统抗干扰能力较强，可实现长距离数据传输，
同时支持多个收发器连接到同一个通信网络中。因此，RS-485在工业控制领域以及有类似需求
的系统中得到了广泛的应用。
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”章节我们详细地介绍了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。
在介绍RS-485之前，我们先来了解一下串口通信过程中单端传输与差分传输的差别。单端
传输是指在发送或接收过程中，用信号线对地线的电压值来表示逻辑“0”和“1”。而差分传
输使用两根信号线来传输一路信号，这两根信号线上传输的信号幅值相等，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 差分传输方式
在传输过程中，当信号线上叠加了频率、幅值和相位都相同的干扰信号时（共模干扰），
对于单端传输而言，由于地线电位为0，则传输的信号就包含了干扰信号；而在差分传输方式
下，干扰可以通过两个信号线上电压的差值抵消，相当于抑制了共模干扰，如图 17.1.2所示。
因此相对于单端传输方式，差分传输大大提高了信号在传输过程中的抗干扰能力，但是需要多
余的信号线来实现信号传输。
图 17.1.2 差分传输抑制共模干扰
RS-232接口标准出现较早，信号采用负逻辑电平、单端传输方式工作。通过一根信号线发
送，一根信号线接收，加上一根地线，RS-232可实现全双工通信。由于单端传输方式抗干扰能
力差，导致RS-232标准通信距离短（小于15米），数据传输速率低等问题。另外RS-232仅支持
一对一通信，存在无法实现多个设备互联的缺点。
RS-422由RS-232发展而来，它是为弥补RS-232之不足而提出的。RS-422采用差分传输（又
称平衡传输）方式，将最大传输速率提高到；当传输速率在以下时，传输距离
可达1200米。由于采用差分传输方式，RS-422需要4根信号线来实现全双工通信，两根用于发
送、两根用于接收，一般会再加上一根地线。RS-422允许在一条传输总线上连接最多10个接收
器，从而实现单个设备发送，多个设备接收的功能。
为扩展应用范围，在RS-422基础上又制定了RS-485标准。RS-485同样采用差分传输方式，
但是RS-485只有2根信号线，由发送和接收共用，因此发送和接收不能同时进行，只能实现半
双工通信。RS-485增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，各设
备通过使能信号控制发送和接收过程。
实验任务
本节实验任务是使用两块开拓者开发板通过RS-485端口互联，由各自开发板上的四个按键
分别控制对方开发板上四个LED灯的亮灭。当按键按下时，对方开发板上对应的LED灯点亮；按
键释放时，对应的LED灯熄灭。
硬件设计
RS485串口部分的原理图如图 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电平标准采用差分信号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，需要加电平转换芯片，实现RS485
电平与TTL电平的转换。
图 17.3.1 RS485串口原理图
由于RS-485为半双工通信方式，需要通过使能信号来控制发送和接收过程。在图 17.3.1
中，电平转换芯片的2号引脚为低电平接收使能，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，只需要通过一个信号即可控制收发过程：当为高
电平时，处于发送过程；当为低电平时，处于接收过程。
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，芯片端口的和
并没有直接和FPGA的引脚相连接，而是连接到开发板的P2口，RS232串口和RS485串口
共用P2口的和，和是直接和FPGA的引脚相连接的，这样的
设计方式实现了有限IO的多种复用功能。因此，在做RS485串口通信实验时，需要使用杜邦线
或者跳帽将和连接在一起，和连接在一起。
本实验中，各端口信号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，我们可以大致规划出系统的控制流程：当检测到有按键按下或释放时，将
按键数据通过RS485串口发送出去；而当RS485串口接收到对方发送的按键数据时，根据接收到
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（）、接收模块
（）、发送模块（）、按键消抖模块（）和LED灯控制模块
（）。其中在顶层模块中完成对另外四个模块的例化。
由于RS-485只是对接口标准的定义，数据的传输仍然是按照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”中的串口发送和接收模块。在这里我们仍然设置数据位为
8位，停止位为1位，无校验位，波特率为。
各模块端口及信号连接如图 17.4.2所示：
图 17.4.2 顶层模块原理图
为按键消抖模块，在检测到有按键按下或释放时对按键数据进行消抖处理，
在按键数据稳定后给出通知信号，并将数据由串口发送模块发送出去。
为串口接收模块，它负责接收对方发送的按键数据，并在一帧数据（8位）接收结束
后给出通知信号。当LED灯控制模块检测到该通知信号时，根据接收到的按
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 (
2 input , //外部50M时钟
3 input , //外部复位信号，低有效
5 input [3:0] key, //按键
6 [3:0] led, //led灯
7 //uart接口
8 input , //rs485串口接收端口
9 , //rs485串口发送端口
10 //rs485发送使能，高有效
11 );
12
13 //
14 = ; //定义系统时钟频率
15 = ; //定义串口波特率
16
17 //wire
18 wire ; //UART发送使能
19 wire ; //UART接收完毕信号
20 wire [7:0] ; //UART发送数据
21 wire [7:0] ; //UART接收数据
22 wire [3:0] ; //消抖后的按键数据
23
24 //*****************************************************
25 //** main code
26 //*****************************************************
27 = {4'd0,}; //将按键消抖后的值送到发送模块
28
29 #( //串口接收模块
30 . (), //设置系统时钟频率
31 . ()) //设置串口接收波特率
32 (
33 . (),
34 . (),
35
36 . (),
37 . (),
38 . ()
39 );
40
41 #( //串口发送模块
42 . (), //设置系统时钟频率
43 . ()) //设置串口发送波特率
44 (
45 . (),
46 . (),
47
48 . (),
49 . (),
50 . (),
51 . () //rs485串口发送使能，高有效
52 );
53
54 (
55 . (),
56 . (),
57
58 .key (key),
59 . (), //按键有效通知信号
60 . () //按键消抖后的数据
61 );
62
63 (
64 . (),
65 . (),
66
67 . (), //led控制使能
68 . ([3:0]), //led控制数据
69 .led (led)
70 );
71
72
顶层模块中主要完成对其余模块的例化，需要注意的是程序第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，因此需要将消抖后得到的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，在将接收的按键数据用于LED灯控制时，仅将低四位有效位
赋值给LED灯控制模块，如第68行所示。
串口接收程序与“串口通信实验”章节中的接收模块完全相同，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”作为输出端口引出，如代
码中第51行所示。由于在发送过程中为高电平，发送结束后拉低，因此可以将
其赋值给RS-485串口发送使能信号，用于控制串口通信的发送和接收过程。
信号通过FPGA管脚与芯片的DE和RE引脚相连，因此在串口发送过程中使能
进入发送状态，其他时间均处于接收状态。
有关串口收发过程更详细的介绍请大家参考“串口通信实验”，下面我们来介绍一下另外
两个模块：按键消抖模块和LED灯控制模块。
在机械按键按下和释放的过程中，由于机械触点的弹性作用，按键开关在闭合的瞬间不会
立即稳定地导通，在释放时也不是立刻就能完全断开。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。按键的抖动过程体现在数字电路中就是不断变化的高低电平，
为避免在抖动过程中采集到错误的按键状态，我们需要对按键数据进行消除抖动处理。
图 17.4.3 机械按键抖动过程
按键抖动的时间长短由按键的机械特性决定，一般为5ms～10ms，在抖动时间内按键状态
可能会不断的发生变化。由于按键的抖动过程持续时间较短，很快就趋于稳定状态。因此在按
键按下及释放之后，若按键能稳定在同一状态且持续时间达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 (
2 input , //外部50M时钟
3 input , //外部复位信号，低有效
5 input [3:0] key, //外部按键输入
7 reg , //按键数据有效信号
8 reg [3:0] //按键消抖后的数据
9 );
10
11 //reg
12 reg [31:0] ;
13 reg [ 3:0] ;
14
15 //*****************************************************
16 //** main code
17 //*****************************************************
18 @( or ) begin
19 if (!) begin
20
