高速便携式RS 232／422信号模拟器设计

摘要：为了飞行试验中机载测试设备或仪器外场排故的需要，利用FPGA和USB接口技术成功设计了可模拟当前各种飞机RS 232／422总线信号的高速便携式模拟器。该信号模拟器能产生24种标准或者非标准波特率的RS 232／422信号，拥有USB接口、键盘和LED显示屏等功能，具有设置简便，使用灵活，可靠性高以及耗电量低等特点。
关键词：机载测试设备；FPGA；USB；RS 232／422；信号模拟器

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。