0 引言

隨著我國(guó)航空技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)新研制了眾多不同型號(hào)和不同用途的飛機(jī)。這些飛機(jī)以及這些飛機(jī)上電子設(shè)備之間采用的RS 232和RS 422格式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總線也有了極大的發(fā)展。它們傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位、波特率及傳輸?shù)?a target="_blank">信息塊形式各不相同，尤其波特率，已經(jīng)從當(dāng)初的幾十Kb／s發(fā)展到現(xiàn)在的上百Kb／s甚至上Mb／s。這就需要研制一種高速RS 232／422信號(hào)模擬器，它能夠模擬我國(guó)現(xiàn)有飛機(jī)及機(jī)上設(shè)備采用RS 232或RS 422格式進(jìn)行相互通信的RS 232／422總線數(shù)據(jù)，為機(jī)載測(cè)試工程師在試驗(yàn)室對(duì)機(jī)上采集RS 232或RS 422信號(hào)的設(shè)備進(jìn)行通電和編程驗(yàn)證，以及外場(chǎng)機(jī)上排故時(shí)提供方便可靠而又靈活的RS 232／422信號(hào)模擬器。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

RS 232／422信號(hào)模擬器主要由USB接口、鍵盤(pán)顯示、電源管理、RS 232／422信號(hào)電平轉(zhuǎn)換和FPGA核心控制這幾部分電路模塊組成。USB接口電路主要功能是和上位計(jì)算機(jī)通過(guò)USB接口建立連接，把上位計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)傳送到FPGA核心控制電路，或者把FPGA核心控制電路發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送到上位計(jì)算機(jī)。鍵盤(pán)顯示電路主要功能是當(dāng)信號(hào)模擬器脫離PC機(jī)獨(dú)立工作時(shí)，通過(guò)鍵盤(pán)輸入命令和數(shù)據(jù)，并在LED顯示屏上觀察輸入的命令和數(shù)據(jù)是否正確，并可以在接收時(shí)能察看接收到的數(shù)據(jù)，以判斷接收到的數(shù)據(jù)正確與否；此外，它還可以實(shí)時(shí)顯示電源的狀態(tài)和電池的電量等信息。電源管理主要是對(duì)供電源頭進(jìn)行排序和自動(dòng)選擇，同時(shí)監(jiān)控電池的電量信息，并把這些信息傳送給FPGA核心控制電路。

RS 232／422信號(hào)電平轉(zhuǎn)換電路主要功能則是把TTL或CMOS電平轉(zhuǎn)換成符合要求電平傳送出去，或者把接收到的RS232或RS 422標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成TTL或COMS電平，同時(shí)在不工作時(shí)使這些電路處于睡眠狀態(tài)，以降低功耗。FPGA核心控制電路是本硬件系統(tǒng)的核心，它對(duì)以上部分的電路系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，監(jiān)控所有電路的工作狀態(tài)，并隨接收來(lái)自這些電路的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)這些信息做出不同的處理，如果需要的話，并把部分結(jié)果在LED顯示屏或者上位計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出來(lái)，供操縱者參考。本信號(hào)仿真器的硬件系統(tǒng)電路原理框圖如圖1所示。

2 主要電路模塊設(shè)計(jì)

2．1 USB接口電路模塊設(shè)計(jì)

USB（Universal Serial Bus，（計(jì)算機(jī)）通用串行總線）是計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備連接的最常用，也是最方便的總線接口，它支持熱插拔和即插即用，應(yīng)用靈活，易于升級(jí)，全速率傳輸可達(dá)12 Mb／s，而高速傳輸達(dá)480 Mb／s，并且它同時(shí)可以向外圍設(shè)備提供耗電電流不大于500 mA的

5 V電源。在本信號(hào)仿真器中，USB接口不僅僅具有和信號(hào)仿真器交換數(shù)據(jù)的任務(wù)，同時(shí)還向信號(hào)源提供5 V的直流供電的功能。通過(guò)USB接口，上位計(jì)算機(jī)依靠用戶(hù)界面程序?qū)π盘?hào)仿真器的工作狀態(tài)、模擬的信號(hào)格式和信息塊內(nèi)容進(jìn)行沒(méi)置；當(dāng)處于接收工作狀態(tài)時(shí)，還可以把接收到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。在設(shè)計(jì)中，本文采用了FTDI公司的FT245RL芯片作為主要的接口協(xié)議處理芯片，它本身集成了協(xié)議處理的固件程序，并且FTDI公司網(wǎng)站上也提供了此芯片的驅(qū)動(dòng)程序，縮小了開(kāi)發(fā)難度，加快了開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。USB接口電路模塊的電路原理圖如圖2所示。

2. 2 電源管理電路模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)模擬器既有USB接口供電，也有AC／DC適配器供電，同時(shí)還有著電池供電，這里供電電源的管理顯得異常重要。在電源管理電路的設(shè)計(jì)中，首先要有電源排序和自動(dòng)切換電路，當(dāng)同時(shí)存在這三個(gè)電路供電時(shí)，要求能自動(dòng)切斷AC／DC和電池供電，無(wú)縫的轉(zhuǎn)向USB供電。當(dāng)USB接口不供電時(shí)，轉(zhuǎn)向了AC／DC適配器供電，最后才是電池供電。整個(gè)過(guò)程的供電順序是USB供電→AC／DC供電→電池；其次是要求能夠?qū)╇婋娐返臓顟B(tài)和信息進(jìn)行監(jiān)控。電源管理電路模塊要求能提供供電是來(lái)自USB接口、AC／DC適配器或是電池的信息，當(dāng)是電池供電時(shí)，還需要提供電池的電量信息，即電池還剩余多少電量；最后，還要有鋰離子充電電池的放電和充電的管理。為保護(hù)鋰離子電池因過(guò)度放電而無(wú)法再次使用，當(dāng)電池放電到終止電壓時(shí)，自動(dòng)切斷供電電路，使電池供電電路處于斷開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)插入AC／DC適配器和USB接口供電時(shí)，電源管理電路模塊可以對(duì)電池進(jìn)行充電，同時(shí)，電池的放電是一個(gè)電源逐漸衰減的過(guò)程，還需要對(duì)電源進(jìn)行穩(wěn)壓。鑒于這些原因，電源管理電路模塊的設(shè)計(jì)是本文的重難點(diǎn)之一。本系統(tǒng)中電源管理電路模塊原理圖如圖3所示。

2. 3 FPGA核心控制電路模塊設(shè)計(jì)

FPGA核心控制電路監(jiān)控以上各電路模塊的工作狀態(tài)，隨時(shí)準(zhǔn)備接收來(lái)自它們的數(shù)據(jù)和命令，并進(jìn)行相應(yīng)的控制。它包括了控制部分和串行數(shù)據(jù)生成部分，控制部分是在FPGA芯片內(nèi)部嵌入Alter公司提供的NIOSⅡ的處理器IP軟核，利用QuartusⅡ軟件內(nèi)部的SOPC工具生成FPGA內(nèi)部的控制電路。串行數(shù)據(jù)生成部分利用VHDL硬件編程語(yǔ)言編制了波特率發(fā)生器和并串轉(zhuǎn)換模塊生成RS 232／422串行信號(hào)數(shù)據(jù)。所有的控制電路都是通過(guò)軟件定制在一片F(xiàn)PGA芯片內(nèi)，外圍電路比較簡(jiǎn)單，除了正常的程序加載電路和程序存儲(chǔ)芯片，僅需要一片時(shí)鐘芯片即可。FPGA核心控制電路原理圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3．1 波特率和串行數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)

串行數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊負(fù)責(zé)生成符合格式設(shè)置要求的串行數(shù)據(jù)，如起始位，數(shù)據(jù)位，效驗(yàn)位，停止位等。它主要是把控制器發(fā)送的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，并根據(jù)控制器發(fā)送的效驗(yàn)位，停止位等設(shè)置命令來(lái)設(shè)置數(shù)據(jù)的格式，以來(lái)自波特率產(chǎn)生模塊的16倍的波特率作為全局時(shí)鐘，生成要模擬的RS 232／422信號(hào)數(shù)據(jù)。

波特率產(chǎn)生模塊根據(jù)控制器發(fā)送的命令數(shù)據(jù)來(lái)產(chǎn)生符合要求的波特率。在本系統(tǒng)中，要求產(chǎn)生24種標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)的波特率，其中標(biāo)準(zhǔn)的波特率16種，非標(biāo)準(zhǔn)波特率8種，最高的波特率達(dá)到1 Mb／s，這樣利用常規(guī)的分頻器不能滿(mǎn)足要求。

依據(jù)DDS（直接數(shù)字頻率合成）的原理，結(jié)合積分分頻電路，設(shè)計(jì)了頻率字累加器，通過(guò)從NIOSⅡ控制器輸入的頻率字來(lái)控制累加器的累加步長(zhǎng)，將累加器輸出的最高位作為輸出的時(shí)鐘信號(hào)的方法實(shí)現(xiàn)所需要的波特率時(shí)鐘，此時(shí)輸出的時(shí)鐘即可作為串行數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊的全局時(shí)鐘，也就是16倍的波特率。同時(shí)為了提高時(shí)鐘的精確度，降低誤碼率，在系統(tǒng)時(shí)鐘（這里采用的是22 11 8 4 MHz）進(jìn)入分頻器以前，利用PLL倍頻電路提高時(shí)鐘的頻率。

波特率和串行數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊在FPGA內(nèi)部的原理實(shí)現(xiàn)框圖如5圖所示。它的實(shí)現(xiàn)是采用VHDL硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的，框圖中每個(gè)小的模塊代表VHDL語(yǔ)言編制的模塊程序。

3．2 NIOSⅡ控制器系統(tǒng)定制和內(nèi)部程序設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的MCU，DSP或ARM等硬處理器或控制器，它們的功能和片內(nèi)外設(shè)都是固化好的，用戶(hù)只能使用，而不能做任何改動(dòng)。而NIOSⅡ處理器是FPGA芯片生成廠商Altera公司無(wú)償提供的軟IP核，可以通過(guò)QuanusⅡ軟件對(duì)它進(jìn)行設(shè)置，隨時(shí)可以添加在片的ROM或RAM，并去掉不必要的外設(shè)，使得整個(gè)系統(tǒng)的搭建靈活，方便，簡(jiǎn)潔。并且，在硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，一片F(xiàn)PGA芯片內(nèi)就可以完成整個(gè)的數(shù)字控制系統(tǒng)，使得硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常的簡(jiǎn)單可靠，性能也非常的穩(wěn)定。

在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，NIOSⅡ處理器和傳統(tǒng)的MCU，DSP或ARM等硬處理器或控制器一樣，也可以用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)需要的控制功能，也可以嵌入各種嵌入式操作系統(tǒng)，并進(jìn)行調(diào)試等。編程的開(kāi)發(fā)環(huán)境是專(zhuān)用的NIOS2-IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。

NIOSⅡ處理器內(nèi)部程序主要完成USB與PC機(jī)之間的通信協(xié)議，依據(jù)PC機(jī)發(fā)送的設(shè)置命令來(lái)完成具體RS 232／422信號(hào)的實(shí)現(xiàn)，并完成數(shù)據(jù)格式的設(shè)置，數(shù)據(jù)塊的設(shè)置，數(shù)據(jù)下行發(fā)送和上行傳輸及信號(hào)源工作狀態(tài)的顯示。其內(nèi)部程序流程圖如圖6所示。

3. 3 用戶(hù)界面程序設(shè)計(jì)

信號(hào)仿真器在PC機(jī)端的軟件設(shè)計(jì)包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和用戶(hù)程序兩部分，F(xiàn)TDI公司為基于FT245RL的USB接口設(shè)備提供了VCP、D2XX（動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)）兩種驅(qū)動(dòng)程序，這樣就不再需要自己設(shè)計(jì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，而只需要選擇不同的驅(qū)動(dòng)程序，可以把主要精力投入在用戶(hù)軟件設(shè)計(jì)上面。

底層驅(qū)動(dòng)程序主要完成上位計(jì)算機(jī)和硬件設(shè)備的連接功能，并為用戶(hù)界面程序建立和信號(hào)源仿真器相互通信的通信協(xié)議和通道，其結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

用戶(hù)界面程序主要完成用戶(hù)對(duì)模擬信號(hào)源進(jìn)行的工作模式選擇，信號(hào)種類(lèi)選擇，數(shù)據(jù)格式設(shè)置和消息塊格式設(shè)置的輸入功能，同時(shí)可以預(yù)覽信號(hào)源發(fā)送的信號(hào)數(shù)據(jù)，讀取信號(hào)源接收到的數(shù)據(jù)，并可以對(duì)存貯數(shù)據(jù)的FLASH芯片進(jìn)行擦除。依據(jù)其要完成的功能，其流程圖如圖8所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研制的高速RS 232／422信號(hào)仿真器，即可以由計(jì)算機(jī)通過(guò)USB接口控制使用，也可以依靠自身攜帶的電池、鍵盤(pán)和LED顯示屏獨(dú)立工作。它在設(shè)計(jì)中采用了FPGA技術(shù)，免除了程序跑飛的可能，提供了高速的，多種標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)的波特率，靈活的數(shù)據(jù)格式和信息塊格式設(shè)置，是機(jī)載測(cè)試采集器采集RS 232／422信號(hào)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室通電或外場(chǎng)排除RS 232／422總線數(shù)據(jù)故障時(shí)比較理想的選擇。