高速便攜式RS 232／422信號模擬器設計

摘要：為了飛行試驗中機載測試設備或儀器外場(chǎng)排故的需要，利用FPGA和USB接口技術(shù)成功設計了可模擬當前各種飛機RS 232／422總線(xiàn)信號的高速便攜式模擬器。該信號模擬器能產(chǎn)生24種標準或者非標準波特率的RS 232／422信號，擁有USB接口、鍵盤(pán)和LED顯示屏等功能，具有設置簡(jiǎn)便，使用靈活，可靠性高以及耗電量低等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：機載測試設備；FPGA；USB；RS 232／422；信號模擬器

0 引言
隨著(zhù)我國航空技術(shù)的不斷發(fā)展，我國新研制了眾多不同型號和不同用途的飛機。這些飛機以及這些飛機上電子設備之間采用的RS 232和RS 422格式傳輸的數據總線(xiàn)也有了極大的發(fā)展。它們傳輸數據的數據位、校驗位、停止位、波特率及傳輸的信息塊形式各不相同，尤其波特率，已經(jīng)從當初的幾十Kb／s發(fā)展到現在的上百Kb／s甚至上Mb／s。這就需要研制一種高速RS 232／422信號模擬器，它能夠模擬我國現有飛機及機上設備采用RS 232或RS 422格式進(jìn)行相互通信的RS 232／422總線(xiàn)數據，為機載測試工程師在試驗室對機上采集RS 232或RS 422信號的設備進(jìn)行通電和編程驗證，以及外場(chǎng)機上排故時(shí)提供方便可靠而又靈活的RS 232／422信號模擬器。

1 系統總體方案設計
RS 232／422信號模擬器主要由USB接口、鍵盤(pán)顯示、電源管理、RS 232／422信號電平轉換和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算機通過(guò)USB接口建立連接，把上位計算機發(fā)送數據傳送到FPGA核心控制電路，或者把FPGA核心控制電路發(fā)送的數據傳送到上位計算機。鍵盤(pán)顯示電路主要功能是當信號模擬器脫離PC機獨立工作時(shí)，通過(guò)鍵盤(pán)輸入命令和數據，并在LED顯示屏上觀(guān)察輸入的命令和數據是否正確，并可以在接收時(shí)能察看接收到的數據，以判斷接收到的數據正確與否；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。電源管理主要是對供電源頭進(jìn)行排序和自動(dòng)選擇，同時(shí)監控電池的電量信息，并把這些信息傳送給FPGA核心控制電路。
RS 232／422信號電平轉換電路主要功能則是把TTL或CMOS電平轉換成符合要求電平傳送出去，或者把接收到的RS232或RS 422標準的信號電平轉換成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的核心，它對以上部分的電路系統進(jìn)行統一管理，監控所有電路的工作狀態(tài)，并隨接收來(lái)自這些電路的數據信息，根據這些信息做出不同的處理，如果需要的話(huà)，并把部分結果在LED顯示屏或者上位計算機屏幕上顯示出來(lái)，供操縱者參考。本信號仿真器的硬件系統電路原理框圖如圖1所示。

2 主要電路模塊設計
2．1 USB接口電路模塊設計
USB(Universal Serial Bus，(計算機)通用串行總線(xiàn))是計算機和外圍設備連接的最常用，也是最方便的總線(xiàn)接口，它支持熱插拔和即插即用，應用靈活，易于升級，全速率傳輸可達12 Mb／s，而高速傳輸達480 Mb／s，并且它同時(shí)可以向外圍設備提供耗電電流不大于500 mA的
5 V電源。在本信號仿真器中，USB接口不僅僅具有和信號仿真器交換數據的任務(wù)，同時(shí)還向信號源提供5 V的直流供電的功能。通過(guò)USB接口，上位計算機依靠用戶(hù)界面程序對信號仿真器的工作狀態(tài)、模擬的信號格式和信息塊內容進(jìn)行沒(méi)置；當處于接收工作狀態(tài)時(shí)，還可以把接收到的數據實(shí)時(shí)顯示在計算機屏幕上。在設計中，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。