基于FPGA的MIII總線(xiàn)與RS422通信協(xié)議轉換板的設計

引言

機載數據總線(xiàn)在飛機上的地位非常重要。機載總線(xiàn)轉換板則是為計算機與機載設備之間的連接提供的硬件基礎。機載設備通過(guò)總線(xiàn)轉換板與計算機進(jìn)行通信以收發(fā)數據。因此，用于測試系統的轉換板的研制與開(kāi)發(fā)就成為航電發(fā)展的一個(gè)重要部分。本文介紹的MIII總線(xiàn)轉換板的主要功能是將機載火控設備的MIII總線(xiàn)數據轉換成串口數據，以方便實(shí)現與PC機的通信，這樣，PC機就可讀取機載設備數據或發(fā)送指令以操作總線(xiàn)設備。

該轉換卡采用Top-Down自頂向下的設計方法，并綜合嵌入式可配置微處理器技術(shù)，來(lái)對系統進(jìn)行模塊化設計。頂層模塊則采用圖形設計方式，底層模塊由VerilogHDL語(yǔ)言描述，并利用Quartus lI完成仿真及綜合，然后在A(yíng)LTERA公司的Cyclone II系列EP2C40芯片來(lái)實(shí)現。此設計提升了系統的處理速度和穩定性。降低了系統的功耗和成本。

1 MIII總線(xiàn)介紹

MIII總線(xiàn)是某型飛機火控電子設備的專(zhuān)用數據通信總線(xiàn)，又稱(chēng)第三級總線(xiàn)。MIII總線(xiàn)是單向地址、雙向數據、半雙工通信總線(xiàn)。

MIII總線(xiàn)的接口邏輯信號與電信號之間的邏輯關(guān)系是：邏輯“1”對應邏輯高電平；邏輯“0”對應邏輯高電平。

MIII總線(xiàn)接口信號線(xiàn)根據功能可分為三組，即數據通信總線(xiàn)、地址通信總線(xiàn)和信號控制總線(xiàn)。其中，數據通信總線(xiàn)包括0pKlK2～15pKlK-2；地址通信總線(xiàn)：0pAl～15pAl?？偩€(xiàn)的“輸入”表示從MIII總線(xiàn)轉換板向某飛機火控設備輸出數碼標志，“輸出”則表示從某飛機火控設備向MIII總線(xiàn)轉換板輸入數碼標志。MIII的A1地址選通主要用于跟蹤地址數據與選擇設備，外部寫(xiě)選通則用于在從MIII總線(xiàn)轉換板向某飛機火控設備傳輸數據和地址時(shí)的數碼跟蹤。外部接收選通則用于在從某飛機火控設備向MIII總線(xiàn)轉換板傳輸數據時(shí)的數碼跟蹤。

2 RS422通信協(xié)議

RS422通信協(xié)議標準的全稱(chēng)為T(mén)IA／EIA-422-B串行通信標準。該標準的數據傳輸采用差分傳輸方式，也稱(chēng)作平衡傳輸。由于RS-422標準的接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅動(dòng)器，故比RS232具備更強的驅動(dòng)能力，并可支持點(diǎn)對多點(diǎn)的雙向通信。RS-422四線(xiàn)接口由于采用了單獨的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數據方向，各裝置之間的任何必須的信號交換均可以按軟件(XON／XOFF握手)或硬件方式(一對單獨的雙絞線(xiàn))來(lái)實(shí)現。

3 轉換板總體設計

MIII總線(xiàn)轉換板的總體結構如圖l所示，由接口電平轉換電路、總線(xiàn)接口控制邏輯、雙口存儲器和RS422轉換模塊組成。其中總線(xiàn)接口控制單元主要用于地址和數據的收發(fā)和寄存，以及接口控制信號和驅動(dòng)信號的產(chǎn)生等；雙口存儲器RAM用來(lái)存放數據和地址，包括MIII總線(xiàn)發(fā)送的數據以及PC機發(fā)送到MIII總線(xiàn)上的數據和地址；接口電平轉換電路由單雙向驅動(dòng)電路芯片組成，該電路的作用是提供符合MIII總線(xiàn)要求的驅動(dòng)電平信號。



3．1 總線(xiàn)轉換設計邏輯

在總線(xiàn)接口控制單元的設計開(kāi)發(fā)中，在嚴格執行國軍標對地面設備的研制規范等要求下，為了保證系統的可靠性，提高系統的可擴展性和性能，設計時(shí)應采用模塊化設計方法，并盡可能采用成熟的技術(shù)和器件。

基于上述設計原則，MIII總線(xiàn)接口板的硬件電路應采用FPGA器件來(lái)實(shí)現。而采用FPGA實(shí)現也具有設計周期短、成本低、運行速度快、電路性能可靠、擁有集成軟核、方便二次開(kāi)發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。

本接口板的設計采用自上而下(Top-Down)的設計技術(shù)路線(xiàn)。設計從系統的整體出發(fā)，應用Ouartus II軟件，并采用結構化描述方式來(lái)對設計對象的功能特性進(jìn)行分析，然后自上而下逐步將問(wèn)題細化，再根據分析的結果劃分功能模塊，并根據電路功能出發(fā)使用VerilogHDL語(yǔ)言對各模塊電路進(jìn)行數據流描述，然后利用Quartus II軟件進(jìn)行各模塊的功能仿真，在確認無(wú)誤之后，再連接各模塊進(jìn)行邏輯綜合及優(yōu)化，最后下載到FPGA芯片。

3．2 RS422轉換模塊

此模塊采用SP3490芯片進(jìn)行RS422通信協(xié)議轉換。SP3490芯片Sipex的+3．3V低功率全雙工收發(fā)轉換芯片，完全可以滿(mǎn)足各種規格的RS-485和RS-422串行通信協(xié)議。圖2所示為RS422轉換模塊的電路原理圖。



3．3 總線(xiàn)接口控制單元

總線(xiàn)接口控制單元的主要功能是MIII總線(xiàn)地址和數據的收發(fā)、轉換、寄存以及接口控制信號和驅動(dòng)信號的產(chǎn)生等?？偩€(xiàn)接口控制單元可以基于FPGA嵌入IP軟核的SOPC系統來(lái)實(shí)現。SOPC是一種特殊的嵌入式系統，它是片上系統(SOC)，即由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統的主要邏輯功能，但它不是簡(jiǎn)單的SOC，它也是可編程系統，因而具有靈活的設計方式，并可在FPGA中植入軟核處理器。也可以根據設計要求，利用相應的EDA工具來(lái)對NIOS II及其外圍設備進(jìn)行構建，以使該嵌入式系統在硬件結構、功能特點(diǎn)、資源占用等方面全面滿(mǎn)足系統的設計要求。此系統的開(kāi)發(fā)工具采用Altera公司推出的Quartus II系列軟件。FPGA采用Altera公司生產(chǎn)的Cyclone II系列的EP2C40芯片，此芯片采用TSMC驗證的90nm低K介電質(zhì)工藝制造的成本優(yōu)化架構，并具有更多的特性和非常大的容量，以及很低的單位邏輯單元成本，故可滿(mǎn)足系統要求。

(1)Nios II處理器

Nios II處理器主要負責解析從RS422串口接收的控制命令，以控制總線(xiàn)轉換器，使其按照設定的工作模式運行；同時(shí)，該處理器還實(shí)時(shí)打包接收到的MIII總線(xiàn)數據，并通過(guò)RS422串口上傳至PC機，實(shí)現PC對MIII總線(xiàn)信息的獲取。采用QuartusII軟件SOPC Builder生成的Nios II處理器單元如圖3所示。



具體工作時(shí)，當數據流向為RS422串口到MIII總線(xiàn)時(shí)，NIOSII處理器可將數據從RS422串口接收緩沖存儲器中讀出，并輸出至MIII總線(xiàn)發(fā)送緩沖單元中，同時(shí)還將數據發(fā)送到外部的SRAM中進(jìn)行存儲；而當數據流向為MIII總線(xiàn)到RS422串口時(shí)，其方式其之類(lèi)似，其不同點(diǎn)是由于MIII總線(xiàn)的傳輸速率遠大于串口的傳輸速率，因而要插入相應的等待和協(xié)調控制信號。

(2)MIII總線(xiàn)收發(fā)

MIII總線(xiàn)收發(fā)功能則獨立于Nios系統。它充分利用FPGA可靈活配置的特點(diǎn)，并用VerilogHDL語(yǔ)言實(shí)現MIII總線(xiàn)的實(shí)時(shí)性和可靠性要求較高的關(guān)鍵部分，然后模擬MIII總線(xiàn)的邏輯功能，最終實(shí)現MIII總線(xiàn)數據、地址的收發(fā)以及與Nios系統通過(guò)自定義的接口實(shí)現通訊。MIII總線(xiàn)的信號時(shí)序如圖4所示。



該轉換板的讀寫(xiě)時(shí)序可用VerilogHDL語(yǔ)言描述，然后采用有限狀態(tài)機實(shí)現上述操作，并用Quartus II進(jìn)行時(shí)序仿真，其仿真波形如圖5所示。本文采用的是用時(shí)鐘同步輸出信號的Moore型狀態(tài)機，該方式可有效消除狀態(tài)機輸出信號的毛刺。



3．4 接口電平轉換電路

由于FPGA可編程器件的輸入／輸出電平通常是3．3 V，而對接MIII總線(xiàn)設備是OC門(mén)輸入／輸出。OC門(mén)又稱(chēng)集電極開(kāi)路(漏極開(kāi)路)電路，其內部電壓為+5 V。所以，FPGA的輸入／輸出需要進(jìn)行兩次電壓轉換。

其中，第一次電壓轉換是把FPGA輸入／輸出電平的3．3 V轉換為5 V電平。由于數據信號是讀寫(xiě)雙向的，而地址和控制信號是單向的(由MIII總線(xiàn)發(fā)送到對接MIII總線(xiàn)設備)，因此，其數據信號應當用74LS245芯片來(lái)進(jìn)行轉換，而地址和控制線(xiàn)則應用74LS244芯片來(lái)轉換，其電路原理如圖6所示。



由于對接MIII總線(xiàn)設備內部是OC門(mén)輸入／輸出，而且由于OC門(mén)電路的輸出管的集電極懸空，使用時(shí)需外接一個(gè)上拉電阻到電源。一般情況下，OC門(mén)會(huì )使用上拉電阻以輸出高電平，此外，為了加大輸出引腳的驅動(dòng)能力，選擇上拉電阻阻值的原則是降低功耗及芯片的灌電流能力應當足夠大，從而確保足夠的驅動(dòng)電流足夠小?；诖嗽瓌t，本設計選擇上拉電阻阻值為680Ω。其具體的電平轉換電路原理圖如圖7所示。


FPGA輸入／輸出的信號，經(jīng)過(guò)以上兩個(gè)步驟的電平轉換，就能符合MIII總線(xiàn)對接設備的輸入／輸出信號要求。至此，只需MIII總線(xiàn)轉換板輸入／輸出的地址、數據和控制信號按照MIII總線(xiàn)時(shí)序進(jìn)行收發(fā)，就可以實(shí)現MIII總線(xiàn)通信。

4 結束語(yǔ)

本文介紹了某型火控電子設備的專(zhuān)用數據通信總線(xiàn)(MIII總線(xiàn))轉換板的設計方法，給出了MIII總線(xiàn)的總線(xiàn)通信功能。同時(shí)介紹了應用F-PGA實(shí)現MIII總線(xiàn)部分電路的實(shí)現方法。事實(shí)上，利用FPGA可簡(jiǎn)化系統結構，縮短設計周期，提高系統的性能和可擴展性。目前，該轉換板經(jīng)過(guò)與某型火控電子設備聯(lián)調證明，其功能正常，工作穩定，且已得到了用戶(hù)好評，收到了良好的社會(huì )和經(jīng)濟效益。