高速便攜式RS232/422信號(hào)模擬器設(shè)計(jì)
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0 引言
隨著我國航空技術(shù)的不斷發(fā)展，我國新研制了眾多不同型號(hào)和不同用途的飛機(jī)。這些飛機(jī)以及這些飛機(jī)上電子設(shè)備之間采用的RS 232和RS 422格式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總線也有了極大的發(fā)展。它們傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位、波特率及傳輸?shù)男畔K形式各不相同，尤其波特率，已經(jīng)從當(dāng)初的幾十Kb／s發(fā)展到現(xiàn)在的上百Kb／s甚至上Mb／s。這就需要研制一種高速RS 232／422信號(hào)模擬器，它能夠模擬我國現(xiàn)有飛機(jī)及機(jī)上設(shè)備采用RS 232或RS 422格式進(jìn)行相互通信的RS 232／422總線數(shù)據(jù)，為機(jī)載測試工程師在試驗(yàn)室對機(jī)上采集RS 232或RS 422信號(hào)的設(shè)備進(jìn)行通電和編程驗(yàn)證，以及外場機(jī)上排故時(shí)提供方便可靠而又靈活的RS 232／422信號(hào)模擬器。
1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
RS 232／422信號(hào)模擬器主要由USB接口、鍵盤顯示、電源管理、RS 232／422信號(hào)電平轉(zhuǎn)換和FPGA核心控制這幾部分電路模塊組成。USB接口電路主要功能是和上位計(jì)算機(jī)通過USB接口建立連接，把上位計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)傳送到FPGA核心控制電路，或者把FPGA核心控制電路發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送到上位計(jì)算機(jī)。鍵盤顯示電路主要功能是當(dāng)信號(hào)模擬器脫離PC機(jī)獨(dú)立工作時(shí)，通過鍵盤輸入命令和數(shù)據(jù)，并在LED顯示屏上觀察輸入的命令和數(shù)據(jù)是否正確，并可以在接收時(shí)能察看接收到的數(shù)據(jù)，以判斷接收到的數(shù)據(jù)正確與否；此外，它還可以實(shí)時(shí)顯示電源的狀態(tài)和電池的電量等信息。電源管理主要是對供電源頭進(jìn)行排序和自動(dòng)選擇，同時(shí)監(jiān)控電池的電量信息，并把這些信息傳送給FPGA核心控制電路。
RS 232／422信號(hào)電平轉(zhuǎn)換電路主要功能則是把TTL或CMOS電平轉(zhuǎn)換成符合要求電平傳送出去，或者把接收到的RS232或RS 422標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成TTL或COMS電平，同時(shí)在不工作時(shí)使這些電路處于睡眠狀態(tài)，以降低功耗。FPGA核心控制電路是本硬件系統(tǒng)的核心，它對以上部分的電路系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，監(jiān)控所有電路的工作狀態(tài)，并隨接收來自這些電路的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)這些信息做出不同的處理，如果需要的話，并把部分結(jié)果在LED顯示屏或者上位計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出來，供操縱者參考。本信號(hào)仿真器的硬件系統(tǒng)電路原理框圖如圖1所示。
2 主要電路模塊設(shè)計(jì)
2．1 USB接口電路模塊設(shè)計(jì)
USB(Universal Serial Bus，(計(jì)算機(jī))通用串行總線)是計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備連接的最常用，也是最方便的總線接口，它支持熱插拔和即插即用，應(yīng)用靈活，易于升級(jí)，全速率傳輸可達(dá)12 Mb／s，而高速傳輸達(dá)480 Mb／s，并且它同時(shí)可以向外圍設(shè)備提供耗電電流不大于500 mA的
5 V電源。在本信號(hào)仿真器中，USB接口不僅僅具有和信號(hào)仿真器交換數(shù)據(jù)的任務(wù)，同時(shí)還向信號(hào)源提供5 V的直流供電的功能。通過USB接口，上位計(jì)算機(jī)依靠用戶界面程序?qū)π盘?hào)仿真器的工作狀態(tài)、模擬的信號(hào)格式和信息塊內(nèi)容進(jìn)行沒置；當(dāng)處于接收工作狀態(tài)時(shí)，還可以把接收到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。在設(shè)計(jì)中，本文采用了FTDI公司的FT245RL芯片作為主要的接口協(xié)議處理芯片，它本身集成了協(xié)議處理的固件程序，并且FTDI公司網(wǎng)站上也提供了此芯片的驅(qū)動(dòng)程序，縮小了開發(fā)難度，加快了開發(fā)時(shí)間和成本。USB接口電路模塊的電路原理圖如圖2所示。
信號(hào)模擬器既有USB接口供電，也有AC／DC適配器供電，同時(shí)還有著電池供電，這里供電電源的管理顯得異常重要。在電源管理電路的設(shè)計(jì)中，首先要有電源排序和自動(dòng)切換電路，當(dāng)同時(shí)存在這三個(gè)電路供電時(shí)，要求能自動(dòng)切斷AC／DC和電池供電，無縫的轉(zhuǎn)向USB供電。當(dāng)USB接口不供電時(shí)，轉(zhuǎn)向了AC／DC適配器供電，最后才是電池供電。整個(gè)過程的供電順序是USB供電→AC／DC供電→電池；其次是要求能夠?qū)╇婋娐返臓顟B(tài)和信息進(jìn)行監(jiān)控。電源管理電路模塊要求能提供供電是來自USB接口、AC／DC適配器或是電池的信息，當(dāng)是電池供電時(shí)，還需要提供電池的電量信息，即電池還剩余多少電量；最后，還要有鋰離子充電電池的放電和充電的管理。為保護(hù)鋰離子電池因過度放電而無法再次使用，當(dāng)電池放電到終止電壓時(shí)，自動(dòng)切斷供電電路，使電池供電電路處于斷開狀態(tài)。當(dāng)插入AC／DC適配器和USB接口供電時(shí)，電源管理電路模塊可以對電池進(jìn)行充電，同時(shí)，電池的放電是一個(gè)電源逐漸衰減的過程，還需要對電源進(jìn)行穩(wěn)壓。鑒于這些原因，電源管理電路模塊的設(shè)計(jì)是本文的重難點(diǎn)之一。本系統(tǒng)中電源管理電路模塊原理圖如圖3所示。
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