基于FPGA與RS422的MⅢ總線轉換板的設計與實現(xiàn)-設計應用

精品文檔-下載后可編輯基于FPGA與RS422的MⅢ總線轉換板的設計與實現(xiàn)-設計應用機載數(shù)據(jù)總線技術是現(xiàn)代先進飛機電傳操縱系統(tǒng)和航空電子綜合化重要的關鍵技術之一，它是計算機網絡技術在航空電子底層的具體實現(xiàn)，決定著飛機性能和航電系統(tǒng)綜合化程度的高低。本書從數(shù)據(jù)總線技術基礎、計算機網絡OSI七層參考模型兩方面介紹了機載數(shù)據(jù)總線的基礎技術，用于民用飛機上的ARINC-429、AmNC-629和CSDB機載數(shù)據(jù)總線，以及應用于軍用飛機上的MIL-S1D-1553B、MIL-STD-1773、STANAG3838/3910機載數(shù)據(jù)總線，線性令牌傳遞總線LTPB、光纖分布式數(shù)據(jù)接口FDDI和航空電子統(tǒng)一網絡中可變規(guī)?；ミB接口SCI,光纖通道FC,以及目前全雙工交換式以太網AFDX,全面分析了它們的技術特點、協(xié)議規(guī)范、拓撲結構及通信接口設計方法，并給出了典型的應用實例。

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，來對系統(tǒng)進行模塊化設計。頂層模塊則采用圖形設計方式，底層模塊由VerilogHDL語言描述，并利用QuartuslI完成仿真及綜合，然后在ALTERA公司的CycloneII系列EP2C40芯片來實現(xiàn)。此設計提升了系統(tǒng)的處理速度和穩(wěn)定性。降低了系統(tǒng)的功耗和成本。

1MIII總線介紹

MIII總線是某型飛機火控電子設備的專用數(shù)據(jù)通信總線，又稱第三級總線。MIII總線是單向地址、雙向數(shù)據(jù)、半雙工通信總線。

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

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

2RS422通信協(xié)議

目前通用的串行通信接口標準主要有RS232，RS422和RS485，其中RS232屬于單端不平衡傳輸協(xié)議，傳輸距離短，抗干擾性差；RS485與RS422均為平衡通信接口，但RS485他只有一對雙絞線，工作于半雙工模式。RS422屬于一種平衡通信接口，采用全雙工通信模式，傳輸速率高達10Mb/s，傳輸距離長2000m，并允許在一條平衡總線上連接多10個接收器[1]。由于該類電路的優(yōu)異性能，RS422接口芯片已廣泛應用于工業(yè)控制、儀器、儀表、多媒體網絡、機電一體化產品等諸多領域。

3轉換板總體設計

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

3.1總線轉換設計邏輯

在總線接口控制單元的設計開發(fā)中，在嚴格執(zhí)行國軍標對地面設備的研制規(guī)范等要求下，為了保證系統(tǒng)的可靠性，提高系統(tǒng)的可擴展性和性能，并盡可能采用成熟的技術和器件。

基于上述設計原則，MIII總線接口板的硬件電路應采用FPGA器件來實現(xiàn)。采用FPGA實現(xiàn)，F(xiàn)PGA（Field－ProgrammableGateArray），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產物。它是作為專用集成電路（ASIC）領域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。

設計從系統(tǒng)的整體出發(fā)，應用OuartusII軟件，并采用結構化描述方式來對設計對象的功能特性進行分析，然后自上而下逐步將問題細化，再根據(jù)分析的結果劃分功能模塊，并根據(jù)電路功能出發(fā)使用VerilogHDL語言對各模塊電路進行數(shù)據(jù)流描述，然后利用QuartusII軟件進行各模塊的功能仿真，再連接各模塊進行邏輯綜合及優(yōu)化，到FPGA芯片。

3.2RS422轉換模塊

此模塊采用SP3490芯片進行RS422通信協(xié)議轉換SP3490是一系列+3.3V低功耗的全雙工收發(fā)器，它們完全滿足RS-485和RS-422串行協(xié)議的要求。這兩個器件與SipexSP490、SP491的管腳互相兼容，同時兼容通用工業(yè)標準規(guī)范。SP3490和SP3491由Sipex的BiCMOS工藝制造而成，可實現(xiàn)低功耗操作，但性能不受影響。它們符合RS-485和RS-422串行協(xié)議的電氣規(guī)范，數(shù)據(jù)傳輸速率可高達10Mbps（帶負載）。圖2所示為RS422轉換模塊的電路原理圖。

3.3總線接口控制單元

總線接口控制單元的主要功能是MIII總線地址和數(shù)據(jù)的收發(fā)、轉換、寄存以及接口控制信號和驅動信號的產生等。SOPC）是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)：首先它是片上系統(tǒng)（SOC），即由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次，它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設計方式，可裁減、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。它是用可編程邏輯技術把整個系統(tǒng)放到一塊硅片上，來用于嵌入式系統(tǒng)的研究和電子信息處理。SOPC是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)，它是片上系統(tǒng)（SOC），即由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能但它不是簡單的SOC,它也是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設計方式，可裁減、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。

（1）NiosII處理器

Nios處理器具有32位指令集的第二代片上可編程的軟核處理器，其優(yōu)勢和特點是模塊化的硬件結構，以及由此帶來的靈活性和可裁減性。相對于傳統(tǒng)的處理器，NiosⅡ系統(tǒng)可以在設計階段根據(jù)實際的需求來增減外設的數(shù)量和種類。設計者可以使用ALTERA提供的開發(fā)工具SOPCBuilder,在PLD器件上創(chuàng)建軟硬件開發(fā)的基礎平臺，也即用SOPCBuilder創(chuàng)建軟核CPU和參數(shù)化的接口總線Avalon。在此基礎上，可以很快地將硬件系統(tǒng)（包括處理器、存儲器、外設接口和用戶邏輯電路）與常規(guī)軟件集成在單一可編程芯片中。而且，SOPCBuilder還提供了標準的接口方式，以便用戶將自己的外圍電路做成NiosⅡ軟核可以添加的外設模塊。這種設計方式，更加方便了各類系統(tǒng)的調試。采用QuartusII軟件SOPCBuilder生成的NiosII處理器單元如圖3所示。

具體工作時，當數(shù)據(jù)流向為RS422串口到MIII總線時，NIOSII處理器可將數(shù)據(jù)從RS422串口接收緩沖存儲器中讀出，并輸出至MIII總線發(fā)送緩沖單元中，同時還將數(shù)據(jù)發(fā)送到外部的SRAM中進行存儲；而當數(shù)據(jù)流向為MIII總線到RS422串口時，其方式其之類似，其不同點是由于MIII總線的傳輸速率遠大于串口的傳輸速率。

（2）MIII總線收發(fā)

MIII總線收發(fā)功能則獨立于Nios系統(tǒng)。它充分利用FPGA可靈活配置的特點，并用VerilogHDL語言實現(xiàn)MIII總線的實時性和可靠性要求較高的關鍵部分，然后模擬MIII總線的邏輯功能，終實現(xiàn)MIII總線數(shù)據(jù)、地址的收發(fā)以及與Nios系統(tǒng)通過自定義的接口實現(xiàn)通訊。MIII總線的信號時序如圖4所示。

該轉換板的讀寫時序可用VerilogHDL語言描述，然后采用有限狀態(tài)機實現(xiàn)上述操作，并用QuartusII進行時序仿真，其仿真波形如圖5所示。

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3.3V，而對接MIII總線設備是OC門輸入/輸出。OC門又稱集電極開路電路，其內部電壓為+5V。所以，F(xiàn)PGA的輸入/輸出需要進行兩次電壓轉換。

其中，次電壓轉換是把FPGA輸入/輸出電平的3.3V轉換為5V電平。由于數(shù)據(jù)信號是讀寫雙向的，而地址和控制信號是單向的（由MIII總線發(fā)送到對接MIII總線設備），因此，其數(shù)據(jù)信號應當用74LS245芯片來進行轉換，而地址和控制線則應用74LS244芯片來轉換，其電路原理如圖6所示。

由于對接MIII總線設備內部是OC門輸入/輸出，而且由于OC門電路的輸出管的集電極懸空，使用時需外接一個上拉電阻到電源。一般情況下，OC門會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電流足夠小。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，經過以上兩個步驟的電平轉換，就能符合MIII總線對接設備的輸入/輸出信號要求。至此，只需MIII總線轉換板輸入/輸出的地址、數(shù)據(jù)和控制信號按照MIII總線時序進行收發(fā)，就可以實現(xiàn)MIII總線通信。

4結束語

本文介紹了某型火控電子設備的專用數(shù)據(jù)通信總線（MIII總線）轉換板的設計方法，給出了MIII總線的總線通信功能。同時介紹了應用F-PGA實現(xiàn)MIII總線部分電路的實現(xiàn)方法。事實上，利用FPGA可簡化系統(tǒng)結構，縮短設計周期，提高系統(tǒng)的性能和可擴展性。目前，該轉換板經過與某型火控電子設備聯(lián)調證明，其功能正常，工作穩(wěn)定，且已得到了用戶好評，收到了良好的社會和經濟效益。

參考文獻:

[1].LTPBdatasheet/datasheet/LTPB_2400809.html.[2].CPLDdatasheet/datasheet/CPLD_1136600.html.[3].SP3490datasheet/datasheet/SP3490_887102.html.[4].RS-485datasheet/datasheet/RS-485_584821.html.[5].RS-422datasheet