0 导言
跟着我国航空技能的不断开展，我国新研发了很多不同类型和不同用处的飞机。这些飞机以及这些飞机上电子设备之间选用的RS 232和RS 422格局传输的数据总线也有了极大的开展。它们传输数据的数据位、校验位、中止位、波特率及传输的信息块方式各不相同，特别波特率，现已从最初的几十Kb／s开展到现在的上百Kb／s甚至上Mb／s。这就需求研发一种高速RS 232／422信号模仿器，它能够模仿我国现有飞机及机上设备选用RS 232或RS 422格局进行彼此通讯的RS 232／422总线数据，为机载测验工程师在试验室对机上收集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供给便利牢靠而又灵敏的RS 232／422信号模仿器。
1 体系整体方案规划
RS 232／422信号模仿器首要由USB接口、键盘显现、电源办理、RS 232／422信号电平转化和FPGA中心操控这几部分电路模块组成。USB接口电路首要功用是和上位计算机经过USB接口树立衔接，把上位计算机发送数据传送到FPGA中心操控电路，或许把FPGA中心操控电路发送的数据传送到上位计算机。键盘显现电路首要功用是当信号模仿器脱离PC机独立作业时，经过键盘输入指令和数据，并在LED显现屏上调查输入的指令和数据是否正确，并能够在接纳时能观察接纳到的数据，以判别接纳到的数据正确与否；此外，它还能够实时显现电源的状况和电池的电量等信息。电源办理首要是对供电源头进行排序和主动挑选，一起监控电池的电量信息，并把这些信息传送给FPGA中心操控电路。
RS 232／422信号电平转化电路首要功用则是把TTL或CMOS电平转化成契合要求电平传送出去，或许把接纳到的RS232或RS 422规范的信号电平转化成TTL或COMS电平，一起在不作业时使这些电路处于睡觉状况，以下降功耗。FPGA中心操控电路是本硬件体系的中心，它对以上部分的电路体系进行统一办理，监控一切电路的作业状况，并随接纳来自这些电路的数据信息，根据这些信息做出不同的处理，假如需求的话，并把部分结果在LED显现屏或许上位计算机屏幕上显现出来，供操纵者参阅。本信号仿真器的硬件体系电路原理框图如图1所示。
2 首要电路模块规划
2．1 USB接口电路模块规划
USB（Universal Serial Bus，（计算机）通用串行总线）是计算机和外围设备衔接的最常用，也是最便利的总线接口，它支撑热插拔和即插即用，运用灵敏，易于晋级，全速率传输可达12 Mb／s，而高速传输达480 Mb／s，而且它一起能够向外围设备供给耗电电流不大于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流数据的使命，一起还向信号源供给5 V的直流供电的功用。经过USB接口，上位计算机依托用户界面程序对信号仿真器的作业状况、模仿的信号格局和信息块内容进行没置；当处于接纳作业状况时，还能够把接纳到的数据实时显现在计算机屏幕上。在规划中，本文选用了FTDI公司的FT245RL芯片作为首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，而且FTDI公司网站上也供给了此芯片的驱动程序，缩小了开发难度，加快了开发时刻和本钱。USB接口电路模块的电路原理图如图2所示。
2. 2 电源办理电路模块规划
信号模仿器既有USB接口供电，也有AC／DC适配器供电，一起还有着电池供电，这儿供电电源的办理显得反常重要。在电源办理电路的规划中，首要要有电源排序和主动切换电路，当一起存在这三个电路供电时，要求能主动堵截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，最终才是电池供电。整个进程的供电次序是USB供电→AC／DC供电→电池；其次是要求能够对供电电路的状况和信息进行监控。电源办理电路模块要求能供给供电是来自USB接口、AC／DC适配器或是电池的信息，当是电池供电时，还需求供给电池的电量信息，即电池还剩下多少电量；最终，还要有锂离子充电电池的放电和充电的办理。为维护锂离子电池因过度放电而无法再次运用，当电池放电到中止电压时，主动堵截供电电路，使电池供电电路处于断开状况。当刺进AC／DC适配器和USB接口供电时，电源办理电路模块能够对电池进行充电，一起，电池的放电是一个电源逐步衰减的进程，还需求对电源进行稳压。鉴于这些原因，电源办理电路模块的规划是本文的重难点之一。本体系中电源办理电路模块原理图如图3所示。
2. 3 FPGA中心操控电路模块规划
FPGA中心操控电路监控以上各电路模块的作业状况，随时预备接纳来自它们的数据和指令，并进行相应的操控。它包含了操控部分和串行数据生成部分，操控部分是在FPGA芯片内部嵌入Alter公司供给的NIOSⅡ的处理器IP软核，运用QuartusⅡ软件内部的SOPC东西生成FPGA内部的操控电路。串行数据生成部分运用VHDL硬件编程言语编制了波特率发生器和并串转化模块生成RS 232／422串行信号数据。一切的操控电路都是经过软件定制在一片FPGA芯片内，外围电路比较简略，除了正常的程序加载电路和程序存储芯片，仅需求一片时钟芯片即可。FPGA中心操控电路原理图如图4所示。
3 体系软件规划
3．1 波特率和串行数据发生模块规划
串行数据发生模块担任生成契合格局设置要求的串行数据，如开始位，数据位，效验位，中止位等。它首要是把操控器发送的并行数据转化成串行数据，并根据操控器发送的效验位，中止位等设置指令来设置数据的格局，以来自波特率发生模块的16倍的波特率作为大局时钟，生成要模仿的RS 232／422信号数据。
波特率发生模块根据操控器发送的指令数据来发生契合要求的波特率。在本体系中，要求发生24种规范和非规范的波特率，其间规范的波特率16种，非规范波特率8种，最高的波特率到达1 Mb／s，这样运用惯例的分频器不能满足要求。
根据DDS（直接数字频率组成）的原理，结合积分分频电路，规划了频率字累加器，经过从NIOSⅡ操控器输入的频率字来操控累加器的累加步长，将累加器输出的最高位作为输出的时钟信号的办法完结所需求的波特率时钟，此刻输出的时钟即可作为串行数据发生模块的大局时钟，也便是16倍的波特率。一起为了进步时钟的精确度，下降误码率，在体系时钟（这儿选用的是22 11 8 4 MHz）进入分频器曾经，运用PLL倍频电路进步时钟的频率。
波特率和串行数据发生模块在FPGA内部的原理完结框图如5图所示。它的完结是选用VHDL硬件描绘言语完结的，框图中每个小的模块代表VHDL言语编制的模块程序。
3．2 NIOSⅡ操控器体系定制和内部程序规划
传统的MCU，DSP或ARM等硬处理器或操控器，它们的功用和片内外设都是固化好的，用户只能运用，而不能做任何改动。而NIOSⅡ处理器是FPGA芯片生成厂商Altera公司无偿供给的软IP核，能够经过QuanusⅡ软件对它进行设置，随时能够添加在片的ROM或RAM，并去掉不必要的外设，使得整个体系的树立灵敏，便利，简练。而且，在硬件体系的规划上，一片FPGA芯片内就能够完结整个的数字操控体系，使得硬件体系的规划十分的简略牢靠，功用也十分的安稳。
在本体系的规划中，NIOSⅡ处理器和传统的MCU，DSP或ARM等硬处理器或操控器相同，也能够用C言语编程完结需求的操控功用，也能够嵌入各种嵌入式操作体系，并进行调试等。编程的开发环境是专用的NIOS2-IDE集成开发环境。
NIOSⅡ处理器内部程序首要完结USB与PC机之间的通讯协议，根据PC机发送的设置指令来完结具体RS 232／422信号的完结，并完结数据格局的设置，数据块的设置，数据下行发送和上行传输及信号源作业状况的显现。其内部程序流程图如图6所示。
3. 3 用户界面程序规划
信号仿真器在PC机端的软件规划包含设备驱动程序和用户程序两部分，FTDI公司为根据FT245RL的USB接口设备供给了VCP、D2XX（动态链接库）两种驱动程序，这样就不再需求自己规划设备驱动程序，而只需求挑选不同的驱动程序，能够把首要精力投入在用户软件规划上面。
底层驱动程序首要完结上位计算机和硬件设备的衔接功用，并为用户界面程序树立和信号源仿真器彼此通讯的通讯协议和通道，其结构框图如图7所示。
用户界面程序首要完结用户对模仿信号源进行的作业形式挑选，信号品种挑选，数据格局设置和音讯块格局设置的输入功用，一起能够预览信号源发送的信号数据，读取信号源接纳到的数据，并能够对存贮数据的FLASH芯片进行擦除。根据其要完结的功用，其流程图如图8所示。
4 结语
本文研发的高速RS 232／422信号仿真器，即能够由计算机经过USB接口操控运用，也能够依托本身带着的电池、键盘和LED显现屏独立作业。它在规划中选用了FPGA技能，免除了程序跑飞的或许，供给了高速的，多种规范和非规范的波特率，灵敏的数据格局和信息块格局设置，是机载测验收集器收集RS 232／422信号进行实验室通电或外场扫除RS 232／422总线数据毛病时比较抱负的挑选。
