基于FPGA的MⅢ總線與RS422通信協(xié)議轉(zhuǎn)換板的設(shè)計(jì)

O 引言
機(jī)載數(shù)據(jù)總線在飛機(jī)上的地位非常重要。機(jī)載總線轉(zhuǎn)換板則是為計(jì)算機(jī)與機(jī)載設(shè)備之間的連接提供的硬件基礎(chǔ)。機(jī)載設(shè)備通過(guò)總線轉(zhuǎn)換板與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信以收發(fā)數(shù)據(jù)。因此，用于測(cè)試系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換板的研制與開發(fā)就成為航電發(fā)展的一個(gè)重要部分。本文介紹的MIII總線轉(zhuǎn)換板的主要功能是將機(jī)載火控設(shè)備的MIII總線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串口數(shù)據(jù)，以方便實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信，這樣，PC機(jī)就可讀取機(jī)載設(shè)備數(shù)據(jù)或發(fā)送指令以操作總線設(shè)備。
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(lái)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(lái)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
RS422通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的全稱為TIA／EIA-422-B串行通信標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸。由于RS-422標(biāo)準(zhǔn)的接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動(dòng)器，故比RS232具備更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，并可支持點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的雙向通信。RS-422四線接口由于采用了單獨(dú)的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間的任何必須的信號(hào)交換均可以按軟件(XON／XOFF握手)或硬件方式(一對(duì)單獨(dú)的雙絞線)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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(lái)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)。

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，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，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(lái)實(shí)現(xiàn)。而采用FPGA實(shí)現(xiàn)也具有設(shè)計(jì)周期短、成本低、運(yùn)行速度快、電路性能可靠、擁有集成軟核、方便二次開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。
本接口板的設(shè)計(jì)采用自上而下(Top-Down)的設(shè)計(jì)技術(shù)路線。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(lái)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(wèn)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，在確認(rèn)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(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芯片Sipex的+3．3V低功率全雙工收發(fā)轉(zhuǎn)換芯片，完全可以滿足各種規(guī)格的RS-485和RS-422串行通信協(xié)議。圖2所示為RS422轉(zhuǎn)換模塊的電路原理圖。