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

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)備通過總線轉(zhuǎn)換板與計算機(jī)進(jìn)行通信以收發(fā)數(shù)據(jù)。因此，用于測試系統(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)計方法，并綜合嵌入式可配置微處理器技術(shù)，來對系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計。頂層模塊則采用圖形設(shè)計方式，底層模塊由VerilogHDL語言描述，并利用Quartus lI完成仿真及綜合，然后在ALTERA公司的Cyclone II系列EP2C40芯片來實現(xiàn)。此設(shè)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。

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(guān)系是：邏輯“1”對應(yīng)邏輯高電平；邏輯“0”對應(yīng)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(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)動器，故比RS232具備更強(qiáng)的驅(qū)動能力，并可支持點(diǎn)對多點(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交換均可以按軟件(XON／XOFF握手)或硬件方式(一對單獨(dú)的雙絞線)來實現(xiàn)。

3 轉(zhuǎn)換板總體設(shè)計
    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，以及接口控制信號和驅(qū)動信號的產(chǎn)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(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)動電平信號。

3．1 總線轉(zhuǎn)換設(shè)計邏輯
    在總線接口控制單元的設(shè)計開發(fā)中，在嚴(yán)格執(zhí)行國軍標(biāo)對地面設(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)計時應(yīng)采用模塊化設(shè)計方法，并盡可能采用成熟的技術(shù)和器件。
    基于上述設(shè)計原則，MIII總線接口板的硬件電路應(yīng)采用FPGA器件來實現(xiàn)。而采用FPGA實現(xiàn)也具有設(shè)計周期短、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)計采用自上而下(Top-Down)的設(shè)計技術(shù)路線。設(shè)計從系統(tǒng)的整體出發(fā)，應(yīng)用Ouartus II軟件，并采用結(jié)構(gòu)化描述方式來對設(shè)計對象的功能特性進(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語言對各模塊電路進(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。

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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和驅(qū)動信號的產(chǎn)生等?？偩€接口控制單元可以基于FPGA嵌入IP軟核的SOPC系統(tǒng)來實現(xiàn)。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)，因而具有靈活的設(shè)計方式，并可在FPGA中植入軟核處理器。也可以根據(jù)設(shè)計要求，利用相應(yīng)的EDA工具來對NIOS II及其外圍設(shè)備進(jìn)行構(gòu)建，以使該嵌入式系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)、功能特點(diǎn)、資源占用等方面全面滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。此系統(tǒng)的開發(fā)工具采用Altera公司推出的Quartus II系列軟件。FPGA采用Altera公司生產(chǎn)的Cyclone II系列的EP2C40芯片，此芯片采用TSMC驗證的90nm低K介電質(zhì)工藝制造的成本優(yōu)化架構(gòu)，并具有更多的特性和非常大的容量，以及很低的單位邏輯單元成本，故可滿足系統(tǒng)要求。
    (1)Nios II處理器
    Nios II處理器主要負(fù)責(zé)解析從RS422串口接收的控制命令，以控制總線轉(zhuǎn)換器，使其按照設(shè)定的工作模式運(yùn)行；同時，該處理器還實時打包接收到的MIII總線數(shù)據(jù)，并通過RS422串口上傳至PC機(jī)，實現(xiàn)PC對MIII總線信息的獲取。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，當(dāng)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(jìn)行存儲；而當(dāng)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(diǎn)是由于MIII總線的傳輸速率遠(yuǎn)大于串口的傳輸速率，因而要插入相應(yīng)的等待和協(xié)調(diào)控制信號。
    (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語言實現(xiàn)MIII總線的實時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。

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    該轉(zhuǎn)換板的讀寫時序可用VerilogHDL語言描述，然后采用有限狀態(tài)機(jī)實現(xiàn)上述操作，并用Quartus II進(jìn)行時序仿真，其仿真波形如圖5所示。本文采用的是用時鐘同步輸出信號的Moore型狀態(tài)機(jī)，該方式可有效消除狀態(tài)機(jī)輸出信號的毛刺。

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，而對接MIII總線設(shè)備是OC門輸入／輸出。OC門又稱集電極開路(漏極開路)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(shè)備)，因此，其數(shù)據(jù)信號應(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(qū)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(yīng)當(dāng)足夠大，從而確保足夠的驅(qū)動電流足夠小?；诖嗽瓌t，本設(shè)計選擇上拉電阻阻值為680Ω。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，經(jīng)過以上兩個步驟的電平轉(zhuǎn)換，就能符合MIII總線對接設(shè)備的輸入／輸出信號要求。至此，只需MIII總線轉(zhuǎn)換板輸入／輸出的地址、數(shù)據(jù)和控制信號按照MIII總線時序進(jìn)行收發(fā)，就可以實現(xiàn)MIII總線通信。

4 結(jié)束語
    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)計方法，給出了MIII總線的總線通信功能。同時介紹了應(yīng)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(jié)構(gòu)，縮短設(shè)計周期，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，收到了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。