高速便携式RS232/422信号模拟器设计

0 引言
随着我国航空技术的不断发展，我国新研制了众多不同型号和不同用途的飞机。这些飞机以及这些飞机上电子设备之间采用的RS 232和RS 422格式传输的数据总线也有了极大的发展。它们传输数据的数据位、校验位、停止位、波特率及传输的信息块形式各不相同，尤其波特率，已经从当初的几十Kb／s发展到现在的上百Kb／s甚至上Mb／s。这就需要研制一种高速RS 232／422信号模拟器，它能够模拟我国现有飞机及机上设备采用RS 232或RS 422格式进行相互通信的RS 232／422总线数据，为机载测试工程师在试验室对机上采集RS 232或RS 422信号的设备进行通电和编程验证，以及外场机上排故时提供方便可靠而又灵活的RS 232／422信号模拟器。

1 系统总体方案设计
RS 232／422信号模拟器主要由USB接口、键盘显示、电源管理、RS 232／422信号电平转换和FPGA核心控制这几部分电路模块组成。USB接口电路主要功能是和上位计算机通过USB接口建立连接，把上位计算机发送数据传送到FPGA核心控制电路，或者把FPGA核心控制电路发送的数据传送到上位计算机。键盘显示电路主要功能是当信号模拟器脱离PC机独立工作时，通过键盘输入命令和数据，并在LED显示屏上观察输入的命令和数据是否正确，并可以在接收时能察看接收到的数据，以判断接收到的数据正确与否；此外，它还可以实时显示电源的状态和电池的电量等信息。电源管理主要是对供电源头进行排序和自动选择，同时监控电池的电量信息，并把这些信息传送给FPGA核心控制电路。
RS 232／422信号电平转换电路主要功能则是把TTL或CMOS电平转换成符合要求电平传送出去，或者把接收到的RS232或RS 422标准的信号电平转换成TTL或COMS电平，同时在不工作时使这些电路处于睡眠状态，以降低功耗。FPGA核心控制电路是本硬件系统的核心，它对以上部分的电路系统进行统一管理，监控所有电路的工作状态，并随接收来自这些电路的数据信息，根据这些信息做出不同的处理，如果需要的话，并把部分结果在LED显示屏或者上位计算机屏幕上显示出来，供操纵者参考。本信号仿真器的硬件系统电路原理框图如图1所示。

2 主要电路模块设计
2．1 USB接口电路模块设计
USB(Universal Serial Bus，(计算机)通用串行总线)是计算机和外围设备连接的最常用，也是最方便的总线接口，它支持热插拔和即插即用，应用灵活，易于升级，全速率传输可达12 Mb／s，而高速传输达480 Mb／s，并且它同时可以向外围设备提供耗电电流不大于500 mA的
5 V电源。在本信号仿真器中，USB接口不仅仅具有和信号仿真器交换数据的任务，同时还向信号源提供5 V的直流供电的功能。通过USB接口，上位计算机依靠用户界面程序对信号仿真器的工作状态、模拟的信号格式和信息块内容进行没置；当处于接收工作状态时，还可以把接收到的数据实时显示在计算机屏幕上。在设计中，本文采用了FTDI公司的FT245RL芯片作为主要的接口协议处理芯片，它本身集成了协议处理的固件程序，并且FTDI公司网站上也提供了此芯片的驱动程序，缩小了开发难度，加快了开发时间和成本。USB接口电路模块的电路原理图如图2所示。

2. 2 电源管理电路模块设计
信号模拟器既有USB接口供电，也有AC／DC适配器供电，同时还有着电池供电，这里供电电源的管理显得异常重要。在电源管理电路的设计中，首先要有电源排序和自动切换电路，当同时存在这三个电路供电时，要求能自动切断AC／DC和电池供电，无缝的转向USB供电。当USB接口不供电时，转向了AC／DC适配器供电，最后才是电池供电。整个过程的供电顺序是USB供电→AC／DC供电→电池；其次是要求能够对供电电路的状态和信息进行监控。电源管理电路模块要求能提供供电是来自USB接口、AC／DC适配器或是电池的信息，当是电池供电时，还需要提供电池的电量信息，即电池还剩余多少电量；最后，还要有锂离子充电电池的放电和充电的管理。为保护锂离子电池因过度放电而无法再次使用，当电池放电到终止电压时，自动切断供电电路，使电池供电电路处于断开状态。当插入AC／DC适配器和USB接口供电时，电源管理电路模块可以对电池进行充电，同时，电池的放电是一个电源逐渐衰减的过程，还需要对电源进行稳压。鉴于这些原因，电源管理电路模块的设计是本文的重难点之一。本系统中电源管理电路模块原理图如图3所示。

2. 3 FPGA核心控制电路模块设计
FPGA核心控制电路监控以上各电路模块的工作状态，随时准备接收来自它们的数据和命令，并进行相应的控制。它包括了控制部分和串行数据生成部分，控制部分是在FPGA芯片内部嵌入Alter公司提供的NIOSⅡ的处理器IP软核，利用QuartusⅡ软件内部的SOPC工具生成FPGA内部的控制电路。串行数据生成部分利用VHDL硬件编程语言编制了波特率发生器和并串转换模块生成RS232／422串行信号数据。所有的控制电路都是通过软件定制在一片FPGA芯片内，外围电路比较简单，除了正常的程序加载电路和程序存储芯片，仅需要一片时钟芯片即可。FPGA核心控制电路原理图如图4所示。