基于FPGA的MⅢ總線與RS422通信協議轉換板的設計

O 引言
機載數據總線在飛機上的地位非常重要。機載總線轉換板則是為計算機與機載設備之間的連接提供的硬件基礎。機載設備通過總線轉換板與計算機進行通信以收發數據。因此，用于測試系統的轉換板的研制與開發就成為航電發展的一個重要部分。本文介紹的MIII總線轉換板的主要功能是將機載火控設備的MIII總線數據轉換成串口數據，以方便實現與PC機的通信，這樣，PC機就可讀取機載設備數據或發送指令以操作總線設備。
該轉換卡采用Top-Down自頂向下的設計方法，并綜合嵌入式可配置微處理器技術，來對系統進行模塊化設計。頂層模塊則采用圖形設計方式，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。此設計提升了系統的處理速度和穩定性。降低了系統的功耗和成本。

1 MIII總線介紹
MIII總線是某型飛機火控電子設備的專用數據通信總線，又稱第三級總線。MIII總線是單向地址、雙向數據、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系是：邏輯“1”對應邏輯高電平；邏輯“0”對應邏輯高電平。
MIII總線接口信號線根據功能可分為三組，即數據通信總線、地址通信總線和信號控制總線。其中，數據通信總線包括0pKlK2～15pKlK-2；地址通信總線：0pAl～15pAl。總線的“輸入”表示從MIII總線轉換板向某飛機火控設備輸出數碼標志，“輸出”則表示從某飛機火控設備向MIII總線轉換板輸入數碼標志。MIII的A1地址選通主要用于跟蹤地址數據與選擇設備，外部寫選通則用于在從MIII總線轉換板向某飛機火控設備傳輸數據和地址時的數碼跟蹤。外部接收選通則用于在從某飛機火控設備向MIII總線轉換板傳輸數據時的數碼跟蹤。

2 RS422通信協議
RS422通信協議標準的全稱為TIA／EIA-422-B串行通信標準。該標準的數據傳輸采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸。由于RS-422標準的接收器采用高輸入阻抗和發送驅動器，故比RS232具備更強的驅動能力，并可支持點對多點的雙向通信。RS-422四線接口由于采用了單獨的發送和接收通道，因此不必控制數據方向，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(一對單獨的雙絞線)來實現。

3 轉換板總體設計
MIII總線轉換板的總體結構如圖l所示，由接口電平轉換電路、總線接口控制邏輯、雙口存儲器和RS422轉換模塊組成。其中總線接口控制單元主要用于地址和數據的收發和寄存，以及接口控制信號和驅動信號的產生等；雙口存儲器RAM用來存放數據和地址，包括MIII總線發送的數據以及PC機發送到MIII總線上的數據和地址；接口電平轉換電路由單雙向驅動電路芯片組成，該電路的作用是提供符合MIII總線要求的驅動電平信號。

3．1 總線轉換設計邏輯
在總線接口控制單元的設計開發中，在嚴格執行國軍標對地面設備的研制規范等要求下，為了保證系統的可靠性，提高系統的可擴展性和性能，設計時應采用模塊化設計方法，并盡可能采用成熟的技術和器件。
基于上述設計原則，MIII總線接口板的硬件電路應采用FPGA器件來實現。而采用FPGA實現也具有設計周期短、成本低、運行速度快、電路性能可靠、擁有集成軟核、方便二次開發等優點。
本接口板的設計采用自上而下(Top-Down)的設計技術路線。設計從系統的整體出發，應用Ouartus II軟件，并采用結構化描述方式來對設計對象的功能特性進行分析，然后自上而下逐步將問題細化，再根據分析的結果劃分功能模塊，并根據電路功能出發使用VerilogHDL語言對各模塊電路進行數據流描述，然后利用Quartus II軟件進行各模塊的功能仿真，在確認無誤之后，再連接各模塊進行邏輯綜合及優化，最后下載到FPGA芯片。
3．2 RS422轉換模塊
此模塊采用SP3490芯片進行RS422通信協議轉換。SP3490芯片Sipex的+3．3V低功率全雙工收發轉換芯片，完全可以滿足各種規格的RS-485和RS-422串行通信協議。圖2所示為RS422轉換模塊的電路原理圖。