基于VXI總線的RS-422/485通用模塊設計*

孫學聰，邵云峰，馬曉東

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

基于VXI總線的RS-422/485通用模塊設計*

孫學聰，邵云峰，馬曉東

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

針對目前導彈綜合測試系統中VXI總線儀器模塊功能單一，RS-422，RS-485等接口電路易發生通信故障等問題，嚴重制約綜合測試資源與效率。本設計基于VXI總線規范，綜合運用可編程邏輯器件、EDA(electronic design automatic)、電氣隔離以及大容量數據存儲等技術，研制出一種多通道兼容RS-422/485總線的通用 VXI C型尺寸模塊。經過綜合測試系統實際應用表明：該模塊符合RS-422/485規范，通信誤碼率合格，具有良好的可靠性、通用性和經濟價值。

VXI總線；RS-422 RS-485；通用

0 引言

隨著科學技術和國防工業的不斷發展，武器系統電子裝備日趨復雜化、智能化和通用化。測試設備作為一種必不可少的工具始終貫穿于武器裝備研制、生產、使用和維護等階段，測試能力的高低直接關乎武器裝備研制周期和作戰效能[1]。傳統的獨立或局部控制的儀器系統面臨更加復雜化測試的挑戰，于是出現了以總線技術為基礎的測試技術，總線技術是自動測試系統的核心，它的發展始終推動著自動測試系統的更新換代[2-3]。

VXI(VME bus extensions for instrumentation)為VME總線對儀器的擴展。它集中了智能儀器、個人儀器和自動測試系統的諸多特點，極大地滿足導彈設備單板級、模塊級、系統級等各個級別和研發、生產、維護等各個階段的測試要求，測試資源可以重復利用，可方便地擴展測試系統的性能[4]。此外，VXI總線測試儀器價格與傳統自動測試系統相比具有明顯的競爭潛力[5-6]。因此，VXI總線儀器在防空導彈綜合測試系統中應用越來越廣泛[7]。

1 研究內容

目前，部分防空導彈綜合測試系統設計中串行通信設計存在如下一些問題。

(1) VXI總線串行通信模塊缺少成熟產品

部分防空導彈綜合測試系統RS-422/RS-485通信仍采用PCI總線模塊，而PCI模塊受體積限制，通信路數較少，隔離度底，有時一塊板卡不能完成通信任務，仍需要多塊板卡[8]。

(2) VXI總線模塊集成度低

隨著防空導彈的測試任務和測試對象的多樣性和特殊性，VXI總線儀器應用擴展時不可避免地要開發各種專用的VXI儀器模塊，因此，提高模塊集成度和通用性將直接影響系統集成度與可靠性，大大降低開發周期和投入成本。

(3) 通信接口設計不規范

EIA(electronic industries alliance，EIA)只規范了RS-422和RS-485電氣接口標準，在工程應用中，由于設計者使用的芯片、接口電路設計的差異，常常發生接口不匹配的情況，總線通信的可靠性與穩定性都得不到有效的保障，輕則導致通信誤碼率增加，嚴重時會使整個系統的通信網絡崩潰，甚至導致接口器件經常損壞[9]。

(4) 通信協議單一

目前，防空導彈綜合測試系統中RS-422/485通信協議主要為異步通信和同步通信。而通信板卡通信協議單一，不能夠同時兼容異步通信和同步通信。在測試系統實際應用中，同步和異步通信經常用到，因此需要多塊板卡協同工作才能完成測試任務，極大浪費板卡資源。

針對目前防空導彈綜合測試系統設計串行通信所面臨問題，本設計針對串行通信接口電路以及布線安全、合理的方式設計，綜合考慮接口阻抗匹配、電磁兼容、驅動能力等因素，嚴格依據國標規范和國際標準要求，研制出一種具有良好的安全性、通用性與可靠性標準VXI C 尺寸模塊，同時結合模塊應用具體環境，進行了環境應力篩選試驗，極大方便導彈綜合測試系統使用，兼容同步、異步通信協議和通信狀態設計功能，有效避免測試儀器的重復開發，實現測試資源的共享，有效降低系統開發與測試代價，節約經濟成本。開發通用化的VXI模塊，利用可編程邏輯器件的可擴展性和可修改性，實現“一模多用”。

2 方案設計

2.1 總體方案

模塊原理圖如圖 1所示，整個模塊在硬件上由VXI總線接口、通訊控制和數據發送接收通道組成。VXI接口完成VXI總線的時序轉換，使主控計算機能控制VXI通訊模塊的功能電路，通訊控制電路主要實現串行收發器的功能，把VXI接口發來的數據根據協議轉換為串行數據發送到后級電路，同時把后級電路接收的串行數據轉為并行數據。

其中，VXI總線接口、通訊控制以及存儲器的存取控制部分在可編程邏輯器件FPGA內以可編程邏輯實現，為防止FPGA出現故障，導致模塊工作失常，采用兩路FPGA進行控制，提高了系統的可靠性與安全性，模塊PCB設計圖如圖 2所示。

2.2 接口電路設計

2.2.1 VXI接口設計

VXI總線的硬件設計中，接口電路的設計非常關鍵，由于VXI總線模塊尺寸固定，接口邏輯時序復雜，目前專用接口芯片種類很少，價格昂貴，若采用接口芯片會增加PCB印制板的空間，影響模塊的集成度與電磁兼容性，同時，通過市場調研，專用芯片可能會遭遇停產缺貨的情況[10]。

因此，采用FPGA(field programmed gate array)來完成VXI總線接口設計，實現VXI接口及模塊功能的邏輯控制。根據實際需要，簡化VXI總線協議系統規范，接口模塊簡單實用，有效的解決模塊物理空間緊張的問題，提高模塊的可靠性[11]。VXI總線接口部分的邏輯框圖如圖3所示。

接口邏輯在滿足VXI總線規范的前提下主要實現中斷、寄存器設置、地址譯碼、數據緩沖驅動、數據傳送和復位等功能，通過對FPGA內部編程實現接口功能，這種方式減小了采用硬件電路帶來的不穩定性，減少了對硬件資源的占用，方便調試，易于改進[12]。

圖1 VXI RS-422/485通用模塊原理圖Fig.1 Principle of the universal module

圖2 VXI RS-422/485模塊PCB圖Fig.2 PCB of the module

2.2.2 通信接口電路設計

(1) 發送、接收電路設計

我們的目的是構筑一個功能完善、性能優良的兼容RS-422/485的通信模塊。由于EIA只對RS-422/485電氣特性進行了規范，選取合適的接口芯片成為搭建系統的重要環節，RS-485電氣規范完全兼容RS-422標準，因此芯片的選型在滿足RS-485范圍內開展。

綜合電氣特性、電磁兼容性、驅動能力等因素考慮，借鑒成功設計經驗和規范要求，發送和接收驅動器采用NS公司DS96F174和DS96F175芯片，這兩款芯片完全符合RS-422和RS-485標準，具有三態輸出，且輸出共模電壓為-7～+12 V；驅動電流：±60 mA，單獨5 V電源供電。通信接口電路的發送/接收電路原理框圖如圖 4所示。

(2) 抗干擾設計

串行通信的關鍵不僅要保證接口快速傳輸數據，更重要的是能夠準確無誤的傳輸。由于模塊的工作現場存在許多不可預測的干擾，因此，抗干擾的問題就顯得很突出。

如圖5所示，在96F174和175驅動芯片上增加一級DC/DC隔離，同時增加光耦電氣隔離設計，有效保證數字電路與通信功能電路隔離供電，整個系統電氣特性更趨近完善。

同時為達到測試系統與被測對象接口供電一致，較少引入系統的共模干擾，將接口供電電源單獨引出，作為被測對象的接口供電輸入。此外，由于彈上設備對測試系統的RS-422/485接收芯片有時需要直接采用光耦接收，在接收電路設計時采取通過跳線將96F175選通接入電路，使得電路應用較為靈活、方便。

2.2.3 同步/異步通信協議兼容電路設計

為兼容同步和異步通信協議，采用一片FPGA，

圖3 VXI總線接口框圖Fig.3 Interface of VXI bus

圖4 發送、接收電路原理圖Fig.4 Principle of the transmit circuitry

兩片EPROM的設計實現。如圖 6所示，在電路設計時，預留兩片EPROM(U7和U8)，一片EPROM(U7)燒寫同步通信協議，一片EPROM(U8)燒寫異步通信協議。使用時，通過JC1和JC2兩個短接連接器將U7或U8接入配置FPGA，使用起來靈活、方便。

2.3 軟件設計

軟件設計主要包括驅動程序開發和軟面板開發設計，本設計基于NI公司的LabWindows/CVI平臺，該平臺集成良好的開發環境、函數面板和豐富的庫函數，可以靈活的完成交互式的程序開發[13]。

(1) 驅動程序開發設計

利用LabWindows/CVI集成的VISA(Virtual Instrument Software Architecture，即虛擬儀器軟件結構)函數庫[13]，可以方便的實現復雜的儀器控制系統的開發。VISA結構將所有的I/O控制形成了一個函數庫，該函數庫適用于VXI儀器、GPIB儀器、RS-232等各種類型儀器，應用十分廣泛、靈活[14]。

(2) 軟面板設計

為方便對模塊的調試和應用，達到可視化控制，進行了軟面板設計，在實際測試程序的開發中也可以直接調用這些面板，實現手動操作，對于維護過程中的故障隔離也具有很大幫助。

圖5 抗干擾設計電路圖Fig.5 Principle of the antijamming circuitry

圖6 同步/異步通信協議兼容電路圖Fig.6 Principle of the communication circuitry

本模塊軟面板設計如圖7所示，為模塊設置了通新通道選擇、校驗選擇、強制校驗選擇、校驗方式選擇、數據長度選擇、停止位長度選擇、波特率選擇等設置菜單，用戶可以根據需求靈活選擇通信方式，對收發格式進行調整。

圖7 RS-422/485模塊軟面板Fig.7 Software panel of the RS-422/485 module

3 結束語

隨著導彈技術的不斷進步，適應不同導彈對象的測試任務，提升綜合測試系統通用性與靈活性，提高測試效率是導彈測試技術關注的重要方向。針對目前VXI總線儀器測試系統模塊開發過程中，模塊功能較為單一，RS-422，RS-485接口電路形式多樣，易出現接口不匹配、通用性差等問題。本設計遵循國標規范以及國際建議標準，綜合系統電路設計多種因素，借鑒成功設計經驗，綜合運用可編程邏輯器件、EDA，IP核設計、電氣隔離以及大容量數據存儲等技術，研制出一種兼容RS-422/485的VXI C型尺寸的通用模塊研制，具有一定的擴展性和通用性，實現“一模兩用”，有效避免模塊儀器的重復開發，實現資源共享，降低系統開發與測試代價，節約經濟成本。具有良好的通用性、實用性和經濟性價值。

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Universal RS-422/485 Module Based on VXI Bus

SUN Xue-cong,SHAO Yun-feng,MA Xiao-dong

(Beijing Institute of Electronic System Engineering， Beijing 100854， China)

The function of VXI bus module is too simple and the RS-422 and RS-485 interface easily goes wrong to complete the missile comprehensive test. This design is based on VXI bus, synthesizing complex programmable logic device (CPLD), IP core design, electricity isolation and mass storage device to develop a universal RS-422/485 module based on VXI bus. After being tested, experimentation and comprehensive test, the module proves of good reliability, universality and economy.

VXI bus; RS-422;RS-485; universal

2014-04-11；

2014-07-31

有

孫學聰(1984-)，山東平度人。工程師，碩士，研究方向為導彈綜合測試技術，測發控技術。

通信地址：100854 北京142信箱30分箱 E-mail：sunxuecong@163.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2015.04.031

TP273

A

1009-086X(2015)-04-0184-06