基于FPGA與RS422的MⅢ總線轉(zhuǎn)換板的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

機(jī)載數(shù)據(jù)總線技術(shù)是現(xiàn)代先進(jìn)飛機(jī)電傳操縱系統(tǒng)和航空電子綜合化最重要的關(guān)鍵技術(shù)之一，它是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在航空電子底層的具體實(shí)現(xiàn)，決定著飛機(jī)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(shù)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)OSI七層參考模型兩方面介紹了機(jī)載數(shù)據(jù)總線的基礎(chǔ)技術(shù)，用于民用飛機(jī)上的ARINC-429、AmNC-629和CSDB機(jī)載數(shù)據(jù)總線，以及應(yīng)用于軍用飛機(jī)上的MIL-S1D-1553B、MIL-STD-1773、STANAG3838/3910機(jī)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(wǎng)絡(luò)中可變規(guī)?；ミB接口SCI,光纖通道FC,以及目前最新全雙工交換式以太網(wǎng)AFDX,全面分析了它們的技術(shù)特點(diǎn)、協(xié)議規(guī)范、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及通信接口設(shè)計(jì)方法，并給出了典型的應(yīng)用實(shí)例。

該轉(zhuǎn)換卡采用Top-Down自頂向下的設(shè)計(jì)方法，并綜合嵌入式可配置微處理器技術(shù)，來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。頂層模塊則采用圖形設(shè)計(jì)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ALTERA公司的Cyclone II系列EP2C40芯片來實(shí)現(xiàn)。此設(shè)計(jì)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。

1 MIII總線介紹

MIII總線是某型飛機(jī)火控電子設(shè)備的專用數(shù)據(jù)通信總線，又稱第三級(jí)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(hào)與電信號(hào)之間的邏輯關(guān)系是：邏輯“1”對(duì)應(yīng)邏輯高電平；邏輯“0”對(duì)應(yīng)邏輯高電平。

MIII總線接口信號(hào)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(hào)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(zhuǎn)換板向某飛機(jī)火控設(shè)備輸出數(shù)碼標(biāo)志，“輸出”則表示從某飛機(jī)火控設(shè)備向MIII總線轉(zhuǎn)換板輸入數(shù)碼標(biāo)志。MIII的A1地址選通主要用于跟蹤地址數(shù)據(jù)與選擇設(shè)備，外部寫選通則用于在從MIII總線轉(zhuǎn)換板向某飛機(jī)火控設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)和地址時(shí)的數(shù)碼跟蹤。外部接收選通則用于在從某飛機(jī)火控設(shè)備向MIII總線轉(zhuǎn)換板傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的數(shù)碼跟蹤。

2 RS422通信協(xié)議

目前通用的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)主要有RS 232，RS 422和RS 485，其中RS 232屬于單端不平衡傳輸協(xié)議，傳輸距離短，抗干擾性差；RS 485與RS 422均為平衡通信接口，但RS 485他只有一對(duì)雙絞線，工作于半雙工模式。RS 422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(dá)10 Mb/s，傳輸距離長(zhǎng)2 000 m，并允許在一條平衡總線上連接最多10個(gè)接收器[1]。由于該類電路的優(yōu)異性能，RS 422接口芯片已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、儀器、儀表、多媒體網(wǎng)絡(luò)、機(jī)電一體化產(chǎn)品等諸多領(lǐng)域。

3 轉(zhuǎn)換板總體設(shè)計(jì)

MIII總線轉(zhuǎn)換板的總體結(jié)構(gòu)如圖l所示，由接口電平轉(zhuǎn)換電路、總線接口控制邏輯、雙口存儲(chǔ)器和RS422轉(zhuǎn)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(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生等；雙口存儲(chǔ)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(jī)發(fā)送到MIII總線上的數(shù)據(jù)和地址；接口電平轉(zhuǎn)換電路由單雙向驅(qū)動(dòng)電路芯片組成，該電路的作用是提供符合MIII總線要求的驅(qū)動(dòng)電平信號(hào)。

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3.1 總線轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)邏輯

在總線接口控制單元的設(shè)計(jì)開發(fā)中，在嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)軍標(biāo)對(duì)地面設(shè)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(kuò)展性和性能，并盡可能采用成熟的技術(shù)和器件。

基于上述設(shè)計(jì)原則，MIII總線接口板的硬件電路應(yīng)采用FPGA器件來實(shí)現(xiàn)。采用FPGA實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA（Field－Programmable Gate Array），即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)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(diǎn)。

設(shè)計(jì)從系統(tǒng)的整體出發(fā)，應(yīng)用Ouartus II軟件，并采用結(jié)構(gòu)化描述方式來對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象的功能特性進(jìn)行分析，然后自上而下逐步將問題細(xì)化，再根據(jù)分析的結(jié)果劃分功能模塊，并根據(jù)電路功能出發(fā)使用VerilogHDL語(yǔ)言對(duì)各模塊電路進(jìn)行數(shù)據(jù)流描述，然后利用Quartus II軟件進(jìn)行各模塊的功能仿真，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(zhuǎn)換模塊

此模塊采用SP3490芯片進(jìn)行RS422通信協(xié)議轉(zhuǎn)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(gè)器件與Sipex SP490、SP491的管腳互相兼容，同時(shí)兼容通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。SP3490和SP3491由Sipex的BiCMOS工藝制造而成，可實(shí)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(dá)10Mbps（帶負(fù)載）。圖2所示為RS422轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換、寄存以及接口控制信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)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(gè)芯片完成整個(gè)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(shè)計(jì)方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)，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(shù)把整個(gè)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(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能但它不是簡(jiǎn)單的SOC,它也是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。

（1）Nios II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， 其最大優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)是模塊化的硬件結(jié)構(gòu)，以及由此帶來的靈活性和可裁減性。相對(duì)于傳統(tǒng)的處理器，Nios Ⅱ系統(tǒng)可以在設(shè)計(jì)階段根據(jù)實(shí)際的需求來增減外設(shè)的數(shù)量和種類。設(shè)計(jì)者可以使用ALTERA 提供的開發(fā)工具SOPC Builder, 在PL D器件上創(chuàng)建軟硬件開發(fā)的基礎(chǔ)平臺(tái)，也即用SOPC Builder創(chuàng)建軟核CPU和參數(shù)化的接口總線Avalon。在此基礎(chǔ)上， 可以很快地將硬件系統(tǒng)（包括處理器、存儲(chǔ)器、外設(shè)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， SOPC Builder還提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口方式，以便用戶將自己的外圍電路做成Nios Ⅱ軟核可以添加的外設(shè)模塊。這種設(shè)計(jì)方式， 更加方便了各類系統(tǒng)的調(diào)試。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(dāng)數(shù)據(jù)流向?yàn)镽S422串口到MIII總線時(shí)，NIOSII處理器可將數(shù)據(jù)從RS422串口接收緩沖存儲(chǔ)器中讀出，并輸出至MIII總線發(fā)送緩沖單元中，同時(shí)還將數(shù)據(jù)發(fā)送到外部的SRAM中進(jìn)行存儲(chǔ)；而當(dāng)數(shù)據(jù)流向?yàn)镸III總線到RS422串口時(shí)，其方式其之類似，其不同點(diǎn)是由于MIII總線的傳輸速率遠(yuǎn)大于串口的傳輸速率。

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（2）MIII總線收發(fā)

MIII總線收發(fā)功能則獨(dú)立于Nios系統(tǒng)。它充分利用FPGA可靈活配置的特點(diǎn)，并用VerilogHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)MIII總線的實(shí)時(shí)性和可靠性要求較高的關(guān)鍵部分，然后模擬MIII總線的邏輯功能，最終實(shí)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(shí)現(xiàn)通訊。MIII總線的信號(hào)時(shí)序如圖4所示。

該轉(zhuǎn)換板的讀寫時(shí)序可用VerilogHDL語(yǔ)言描述，然后采用有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)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。

3.4 接口電平轉(zhuǎn)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(duì)接MIII總線設(shè)備是OC門輸入/輸出。OC門又稱集電極開路電路，其內(nèi)部電壓為+5 V。所以，F(xiàn)PGA的輸入/輸出需要進(jìn)行兩次電壓轉(zhuǎn)換。

其中，第一次電壓轉(zhuǎn)換是把FPGA輸入/輸出電平的3.3 V轉(zhuǎn)換為5 V電平。由于數(shù)據(jù)信號(hào)是讀寫雙向的，而地址和控制信號(hào)是單向的（由MIII總線發(fā)送到對(duì)接MIII總線設(shè)備），因此，其數(shù)據(jù)信號(hào)應(yīng)當(dāng)用74LS245芯片來進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而地址和控制線則應(yīng)用74LS244芯片來轉(zhuǎn)換，其電路原理如圖6所示。

由于對(duì)接MIII總線設(shè)備內(nèi)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(shí)需外接一個(gè)上拉電阻到電源。一般情況下，OC門會(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(qū)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(yīng)當(dāng)足夠大，從而確保足夠的驅(qū)動(dòng)電流足夠小。其具體的電平轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖7所示。

FPGA輸入/輸出的信號(hào)，經(jīng)過以上兩個(gè)步驟的電平轉(zhuǎn)換，就能符合MIII總線對(duì)接設(shè)備的輸入/輸出信號(hào)要求。至此，只需MIII總線轉(zhuǎn)換板輸入/輸出的地址、數(shù)據(jù)和控制信號(hào)按照MIII總線時(shí)序進(jìn)行收發(fā)，就可以實(shí)現(xiàn)MIII總線通信。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了某型火控電子設(shè)備的專用數(shù)據(jù)通信總線（MIII總線）轉(zhuǎn)換板的設(shè)計(jì)方法，給出了MIII總線的總線通信功能。同時(shí)介紹了應(yīng)用F-PGA實(shí)現(xiàn)MIII總線部分電路的實(shí)現(xiàn)方法。事實(shí)上，利用FPGA可簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，縮短設(shè)計(jì)周期，提高系統(tǒng)的性能和可擴(kuò)展性。目前，該轉(zhuǎn)換板經(jīng)過與某型火控電子設(shè)備聯(lián)調(diào)證明，其功能正常，工作穩(wěn)定，且已得到了用戶好評(píng)，收到了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。