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排故的需要，利用FPGA和USB接口技術成功設計了可模擬當前各種飛機RS 232/422總線信號的高速便攜式模擬器。該信號模擬器能產生24種標準或者非標準波特率的RS 232/422信號，擁有USB接口、鍵盤和LED顯示屏等功能，具有設置簡便，使用靈活，可靠性高以及耗電量低等特點。

關鍵詞： 機載測試設備； FPGA； USB； RS 232/422； 信號模擬器

中圖分類號： TN911.7?34； TP391 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）13?0120?04

Design of high?speed portable RS 232/422 signal simulator

WANG Liu?quan， HUO Jian?hua

（Testing Institute， Chinese Flight Test Establishment， Xi’an 710089， China）

Abstract： For the need of out?field troubleshooting for airborne flight test equipments or instrumentations， a high?speed portable simulator which can simulate various aircraft’s RS 232/422 bus signals is designed based on FPGA and USB interface technology. The signal simulator could generate 24 kinds of standard or nonstandard baud rate signals， it has USB interface， keyboard and LED panel， and has the characteristics of easy setting， flexible operating， high reliability and low power consumption.

Keywords： airborne test equipment； FPGA； USB； RS 232/422； signal simulator

0 引 言

隨著我國航空技術的不斷發展，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也有了極大的發展。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，已經從當初的幾十Kb/s發展到現在的上百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格式進行相互通信的RS 232/422總線數據，為機載測試工程師在試驗室對機上采集RS 232或RS 422信號的設備進行通電和編程驗證，以及外場機上排故時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USB接口建立連接，把上位計算機發送數據傳送到FPGA核心控制電路，或者把FPGA核心控制電路發送的數據傳送到上位計算機。鍵盤顯示電路主要功能是當信號模擬器脫離PC機獨立工作時，通過鍵盤輸入命令和數據，并在LED顯示屏上觀察輸入的命令和數據是否正確，并可以在接收時能察看接收到的數據，以判斷接收到的數據正確與否；此外，它還可以實時顯示電源的狀態和電池的電量等信息。電源管理主要是對供電源頭進行排序和自動選擇，同時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RS 232或RS 422標準的信號電平轉換成TTL或COMS電平，同時在不工作時使這些電路處于睡眠狀態，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行統一管理，監控所有電路的工作狀態，并隨接收來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，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，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。

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圖1 硬件系統電路原理框圖

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）是計算機和外圍設備連接的最常用，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，同時還向信號源提供5 V的直流供電的功能。通過USB接口，上位計算機依靠用戶界面程序對信號仿真器的工作狀態、模擬的信號格式和信息塊內容進行設置；當處于接收工作狀態時，還可以把接收到的數據實時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議處理芯片，它本身集成了協議處理的固件程序，并且FTDI公司網站上也提供了此芯片的驅動程序，縮小了開發難度，加快了開發時間和成本[1?3]。USB接口電路模塊的電路原理圖如圖2所示。

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圖2 USB接口電路原理圖

2.2 電源管理電路模塊設計

信號模擬器既有USB接口供電，也有AC/DC適配器供電，同時還有著電池供電，這里供電電源的管理顯得異常重要。在電源管理電路的設計中，首先要有電源排序和自動切換電路，當同時存在這三個電路供電時，要求能自動切斷AC/DC和電池供電，無縫的轉向USB供電。當USB接口不供電時，轉向了AC/DC適配器供電，最后才是電池供電。整個過程的供電順序是USB供電→AC/DC供電→電池；其次是要求能夠對供電電路的狀態和信息進行監控。電源管理電路模塊要求能提供供電是來自USB接口、AC/DC適配器或是電池的信息，當是電池供電時，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。為保護鋰離子電池因過度放電而無法再次使用，當電池放電到終止電壓時，自動切斷供電電路，使電池供電電路處于斷開狀態。當插入AC/DC適配器和USB接口供電時，電源管理電路模塊可以對電池進行充電，同時，電池的放電是一個電源逐漸衰減的過程，還需要對電源進行穩壓。鑒于這些原因，電源管理電路模塊的設計是本文的重難點之一。本系統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計

FPGA核心控制電路監控以上各電路模塊的工作狀態，隨時準備接收來自它們的數據和命令，并進行相應的控制。它包括了控制部分和串行數據生成部分，控制部分是在FPGA芯片內部嵌入Alter公司提供的NIOS Ⅱ的處理器IP軟核，利用Quartus Ⅱ軟件內部的SOPC工具生成FPGA內部的控制電路。串行數據生成部分利用VHDL硬件編程語言編制了波特率發生器和并串轉換模塊生成RS 232/422串行信號數據。所有的控制電路都是通過軟件定制在一片FPGA芯片內，外圍電路比較簡單，除了正常的程序加載電路和程序存儲芯片，僅需要一片時鐘芯片即可[4?5]。FPGA核心控制電路原理圖如圖4所示。

3 系統軟件設計

3.1 波特率和串行數據產生模塊設計

串行數據產生模塊負責生成符合格式設置要求的串行數據，如起始位，數據位，效驗位，停止位等。它主要是把控制器發送的并行數據轉換成串行數據，并根據控制器發送的效驗位，停止位等設置命令來設置數據的格式，以來自波特率產生模塊的16倍的波特率作為全局時鐘，生成要模擬的RS 232/422信號數據。

波特率產生模塊根據控制器發送的命令數據來產生符合要求的波特率。在本系統中，要求產生24種標準和非標準的波特率，其中標準的波特率16種，非標準波特率8種，最高的波特率達到1 Mb/s，這樣利用常規的分頻器不能滿足要求。

依據DDS（直接數字頻率合成）的原理，結合積分分頻電路，設計了頻率字累加器，通過從NIOS Ⅱ控制器輸入的頻率字來控制累加器的累加步長，將累加器輸出的最高位作為輸出的時鐘信號的方法實現所需要的波特率時鐘，此時輸出的時鐘即可作為串行數據產生模塊的全局時鐘，也就是16倍的波特率。同時為了提高時鐘的精確度，降低誤碼率，在系統時鐘（這里采用的是22.118 4 MHz）進入分頻器以前，利用PLL倍頻電路提高時鐘的頻率。

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圖4 FPGA核心控制電路原理框圖

波特率和串行數據產生模塊在FPGA內部的原理實現框圖如5圖所示。它的實現是采用VHDL硬件描述語言實現的，框圖中每個小的模塊代表VHDL語言編制的模塊程序。

3.2 NIOS Ⅱ控制器系統定制和內部程序設計

傳統的MCU，DSP或ARM等硬處理器或控制器[6]，它們的功能和片內外設都是固化好的，用戶只能使用，而不能做任何改動。而NIOS Ⅱ處理器是FPGA芯片生成廠商Altera公司無償提供的軟IP核，可以通過Quartus Ⅱ軟件對它進行設置，隨時可以添加在片的ROM或RAM，并去掉不必要的外設，使得整個系統的搭建靈活，方便，簡潔。并且，在硬件系統的設計上，一片FPGA芯片內就可以完成整個的數字控制系統，使得硬件系統的設計非常的簡單可靠，性能也非常的穩定[7]。

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圖5 波特率和串行數據產生模塊原理實現框圖

在本系統的設計中，NIOS Ⅱ處理器和傳統的MCU，DSP或ARM等硬處理器或控制器一樣，也可以用C語言編程實現需要的控制功能，也可以嵌入各種嵌入式操作系統，并進行調試等。編程的開發環境是專用的NIOS2?IDE集成開發環境。

NIOS Ⅱ處理器內部程序主要完成USB與PC機之間的通信協議，依據PC機發送的設置命令來完成具體RS 232/422信號的實現，并完成數據格式的設置，數據塊的設置，數據下行發送和上行傳輸及信號源工作狀態的顯示。其內部程序流程圖如圖6所示。

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圖6 NIOS Ⅱ處理器內部程序流程圖

3.3 用戶界面程序設計

信號仿真器在PC機端的軟件設計包括設備驅動程序和用戶程序兩部分，FTDI公司為基于FT245RL的USB接口設備提供了VCP、D2XX（動態鏈接庫）兩種驅動程序，這樣就不再需要自己設計設備驅動程序，而只需要選擇不同的驅動程序，可以把主要精力投入在用戶軟件設計上面。

底層驅動程序主要完成上位計算機和硬件設備的連接功能，并為用戶界面程序建立和信號源仿真器相互通信的通信協議和通道，其結構框圖如圖7所示。

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圖7 驅動程序結構框圖

用戶界面程序主要完成用戶對模擬信號源進行的工作模式選擇，信號種類選擇，數據格式設置和消息塊格式設置的輸入功能，同時可以預覽信號源發送的信號數據，讀取信號源接收到的數據，并可以對存貯數據的FLASH芯片進行擦除。依據其要完成的功能，其流程圖如圖8所示。

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圖8 用戶界面程序工作流程圖

4 結 語

本文研制的高速RS 232/422信號仿真器，即可以由計算機通過USB接口控制使用，也可以依靠自身攜帶的電池、鍵盤和LED顯示屏獨立工作。它在設計中采用了FPGA技術，免除了程序跑飛的可能，提供了高速的，多種標準和非標準的波特率，靈活的數據格式和信息塊格式設置，是機載測試采集器采集RS 232/422信號進行實驗室通電或外場排除RS 232/422總線數據故障時比較理想的選擇。

參考文獻

[1] 李英偉.USB 2.0原理與工程開發[M].2版.北京：國防工業出版社，2007.

[2] 王留全，焦海戀，安都勛.基于FT245RL的USB接口設計[J].國外電子元器件，2008（10）：10?11.

[3] Future Technolgy Devices International Ltd. FT245R USB FIFO IC Datasheet [EB/OL]. [2011?04]. http：//www.ftdichip.com/Support/Documents/DataSheets/ICs/DS_FT245R.pdf.

[4] 吳繼華，蔡海寧，王誠.Altera FPGA/CPLD設計（基礎篇）[M].2版.北京：人民郵電出版社，2011.

[5] 吳繼華，蔡海寧，王誠.Altera FPGA/CPLD設計（高級篇）[M].2版.北京：人民郵電出版社，2011.

[6] 李華，孫曉明，李紅青.MCS?51單片機實用接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[7] 孫愷，程世恒.Nios Ⅱ系統開發設計與應用實例[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.