基于VXI總線的RS-422/485通用模塊設(shè)計*

孫學(xué)聰，邵云峰，馬曉東

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

基于VXI總線的RS-422/485通用模塊設(shè)計*

孫學(xué)聰，邵云峰，馬曉東

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

針對目前導(dǎo)彈綜合測試系統(tǒng)中VXI總線儀器模塊功能單一，RS-422，RS-485等接口電路易發(fā)生通信故障等問題，嚴(yán)重制約綜合測試資源與效率。本設(shè)計基于VXI總線規(guī)范，綜合運(yùn)用可編程邏輯器件、EDA(electronic design automatic)、電氣隔離以及大容量數(shù)據(jù)存儲等技術(shù)，研制出一種多通道兼容RS-422/485總線的通用 VXI C型尺寸模塊。經(jīng)過綜合測試系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用表明：該模塊符合RS-422/485規(guī)范，通信誤碼率合格，具有良好的可靠性、通用性和經(jīng)濟(jì)價值。

VXI總線；RS-422 RS-485；通用

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)和國防工業(yè)的不斷發(fā)展，武器系統(tǒng)電子裝備日趨復(fù)雜化、智能化和通用化。測試設(shè)備作為一種必不可少的工具始終貫穿于武器裝備研制、生產(chǎn)、使用和維護(hù)等階段，測試能力的高低直接關(guān)乎武器裝備研制周期和作戰(zhàn)效能[1]。傳統(tǒng)的獨(dú)立或局部控制的儀器系統(tǒng)面臨更加復(fù)雜化測試的挑戰(zhàn)，于是出現(xiàn)了以總線技術(shù)為基礎(chǔ)的測試技術(shù)，總線技術(shù)是自動測試系統(tǒng)的核心，它的發(fā)展始終推動著自動測試系統(tǒng)的更新?lián)Q代[2-3]。

VXI(VME bus extensions for instrumentation)為VME總線對儀器的擴(kuò)展。它集中了智能儀器、個人儀器和自動測試系統(tǒng)的諸多特點(diǎn)，極大地滿足導(dǎo)彈設(shè)備單板級、模塊級、系統(tǒng)級等各個級別和研發(fā)、生產(chǎn)、維護(hù)等各個階段的測試要求，測試資源可以重復(fù)利用，可方便地擴(kuò)展測試系統(tǒng)的性能[4]。此外，VXI總線測試儀器價格與傳統(tǒng)自動測試系統(tǒng)相比具有明顯的競爭潛力[5-6]。因此，VXI總線儀器在防空導(dǎo)彈綜合測試系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛[7]。

1 研究內(nèi)容

目前，部分防空導(dǎo)彈綜合測試系統(tǒng)設(shè)計中串行通信設(shè)計存在如下一些問題。

(1) VXI總線串行通信模塊缺少成熟產(chǎn)品

部分防空導(dǎo)彈綜合測試系統(tǒng)RS-422/RS-485通信仍采用PCI總線模塊，而PCI模塊受體積限制，通信路數(shù)較少，隔離度底，有時一塊板卡不能完成通信任務(wù)，仍需要多塊板卡[8]。

(2) VXI總線模塊集成度低

隨著防空導(dǎo)彈的測試任務(wù)和測試對象的多樣性和特殊性，VXI總線儀器應(yīng)用擴(kuò)展時不可避免地要開發(fā)各種專用的VXI儀器模塊，因此，提高模塊集成度和通用性將直接影響系統(tǒng)集成度與可靠性，大大降低開發(fā)周期和投入成本。

(3) 通信接口設(shè)計不規(guī)范

EIA(electronic industries alliance，EIA)只規(guī)范了RS-422和RS-485電氣接口標(biāo)準(zhǔn)，在工程應(yīng)用中，由于設(shè)計者使用的芯片、接口電路設(shè)計的差異，常常發(fā)生接口不匹配的情況，總線通信的可靠性與穩(wěn)定性都得不到有效的保障，輕則導(dǎo)致通信誤碼率增加，嚴(yán)重時會使整個系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)崩潰，甚至導(dǎo)致接口器件經(jīng)常損壞[9]。

(4) 通信協(xié)議單一

目前，防空導(dǎo)彈綜合測試系統(tǒng)中RS-422/485通信協(xié)議主要為異步通信和同步通信。而通信板卡通信協(xié)議單一，不能夠同時兼容異步通信和同步通信。在測試系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，同步和異步通信經(jīng)常用到，因此需要多塊板卡協(xié)同工作才能完成測試任務(wù)，極大浪費(fèi)板卡資源。

針對目前防空導(dǎo)彈綜合測試系統(tǒng)設(shè)計串行通信所面臨問題，本設(shè)計針對串行通信接口電路以及布線安全、合理的方式設(shè)計，綜合考慮接口阻抗匹配、電磁兼容、驅(qū)動能力等因素，嚴(yán)格依據(jù)國標(biāo)規(guī)范和國際標(biāo)準(zhǔn)要求，研制出一種具有良好的安全性、通用性與可靠性標(biāo)準(zhǔn)VXI C 尺寸模塊，同時結(jié)合模塊應(yīng)用具體環(huán)境，進(jìn)行了環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)，極大方便導(dǎo)彈綜合測試系統(tǒng)使用，兼容同步、異步通信協(xié)議和通信狀態(tài)設(shè)計功能，有效避免測試儀器的重復(fù)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)測試資源的共享，有效降低系統(tǒng)開發(fā)與測試代價，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。開發(fā)通用化的VXI模塊，利用可編程邏輯器件的可擴(kuò)展性和可修改性，實(shí)現(xiàn)“一模多用”。

2 方案設(shè)計

2.1 總體方案

模塊原理圖如圖 1所示，整個模塊在硬件上由VXI總線接口、通訊控制和數(shù)據(jù)發(fā)送接收通道組成。VXI接口完成VXI總線的時序轉(zhuǎn)換，使主控計算機(jī)能控制VXI通訊模塊的功能電路，通訊控制電路主要實(shí)現(xiàn)串行收發(fā)器的功能，把VXI接口發(fā)來的數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)發(fā)送到后級電路，同時把后級電路接收的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為并行數(shù)據(jù)。

其中，VXI總線接口、通訊控制以及存儲器的存取控制部分在可編程邏輯器件FPGA內(nèi)以可編程邏輯實(shí)現(xiàn)，為防止FPGA出現(xiàn)故障，導(dǎo)致模塊工作失常，采用兩路FPGA進(jìn)行控制，提高了系統(tǒng)的可靠性與安全性，模塊PCB設(shè)計圖如圖 2所示。

2.2 接口電路設(shè)計

2.2.1 VXI接口設(shè)計

VXI總線的硬件設(shè)計中，接口電路的設(shè)計非常關(guān)鍵，由于VXI總線模塊尺寸固定，接口邏輯時序復(fù)雜，目前專用接口芯片種類很少，價格昂貴，若采用接口芯片會增加PCB印制板的空間，影響模塊的集成度與電磁兼容性，同時，通過市場調(diào)研，專用芯片可能會遭遇停產(chǎn)缺貨的情況[10]。

因此，采用FPGA(field programmed gate array)來完成VXI總線接口設(shè)計，實(shí)現(xiàn)VXI接口及模塊功能的邏輯控制。根據(jù)實(shí)際需要，簡化VXI總線協(xié)議系統(tǒng)規(guī)范，接口模塊簡單實(shí)用，有效的解決模塊物理空間緊張的問題，提高模塊的可靠性[11]。VXI總線接口部分的邏輯框圖如圖3所示。

接口邏輯在滿足VXI總線規(guī)范的前提下主要實(shí)現(xiàn)中斷、寄存器設(shè)置、地址譯碼、數(shù)據(jù)緩沖驅(qū)動、數(shù)據(jù)傳送和復(fù)位等功能，通過對FPGA內(nèi)部編程實(shí)現(xiàn)接口功能，這種方式減小了采用硬件電路帶來的不穩(wěn)定性，減少了對硬件資源的占用，方便調(diào)試，易于改進(jìn)[12]。

圖1 VXI RS-422/485通用模塊原理圖Fig.1 Principle of the universal module

圖2 VXI RS-422/485模塊PCB圖Fig.2 PCB of the module

2.2.2 通信接口電路設(shè)計

(1) 發(fā)送、接收電路設(shè)計

我們的目的是構(gòu)筑一個功能完善、性能優(yōu)良的兼容RS-422/485的通信模塊。由于EIA只對RS-422/485電氣特性進(jìn)行了規(guī)范，選取合適的接口芯片成為搭建系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，RS-485電氣規(guī)范完全兼容RS-422標(biāo)準(zhǔn)，因此芯片的選型在滿足RS-485范圍內(nèi)開展。

綜合電氣特性、電磁兼容性、驅(qū)動能力等因素考慮，借鑒成功設(shè)計經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范要求，發(fā)送和接收驅(qū)動器采用NS公司DS96F174和DS96F175芯片，這兩款芯片完全符合RS-422和RS-485標(biāo)準(zhǔn)，具有三態(tài)輸出，且輸出共模電壓為-7～+12 V；驅(qū)動電流：±60 mA，單獨(dú)5 V電源供電。通信接口電路的發(fā)送/接收電路原理框圖如圖 4所示。

(2) 抗干擾設(shè)計

串行通信的關(guān)鍵不僅要保證接口快速傳輸數(shù)據(jù)，更重要的是能夠準(zhǔn)確無誤的傳輸。由于模塊的工作現(xiàn)場存在許多不可預(yù)測的干擾，因此，抗干擾的問題就顯得很突出。

如圖5所示，在96F174和175驅(qū)動芯片上增加一級DC/DC隔離，同時增加光耦電氣隔離設(shè)計，有效保證數(shù)字電路與通信功能電路隔離供電，整個系統(tǒng)電氣特性更趨近完善。

同時為達(dá)到測試系統(tǒng)與被測對象接口供電一致，較少引入系統(tǒng)的共模干擾，將接口供電電源單獨(dú)引出，作為被測對象的接口供電輸入。此外，由于彈上設(shè)備對測試系統(tǒng)的RS-422/485接收芯片有時需要直接采用光耦接收，在接收電路設(shè)計時采取通過跳線將96F175選通接入電路，使得電路應(yīng)用較為靈活、方便。

2.2.3 同步/異步通信協(xié)議兼容電路設(shè)計

為兼容同步和異步通信協(xié)議，采用一片F(xiàn)PGA，

圖3 VXI總線接口框圖Fig.3 Interface of VXI bus

圖4 發(fā)送、接收電路原理圖Fig.4 Principle of the transmit circuitry

兩片EPROM的設(shè)計實(shí)現(xiàn)。如圖 6所示，在電路設(shè)計時，預(yù)留兩片EPROM(U7和U8)，一片EPROM(U7)燒寫同步通信協(xié)議，一片EPROM(U8)燒寫異步通信協(xié)議。使用時，通過JC1和JC2兩個短接連接器將U7或U8接入配置FPGA，使用起來靈活、方便。

2.3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括驅(qū)動程序開發(fā)和軟面板開發(fā)設(shè)計，本設(shè)計基于NI公司的LabWindows/CVI平臺，該平臺集成良好的開發(fā)環(huán)境、函數(shù)面板和豐富的庫函數(shù)，可以靈活的完成交互式的程序開發(fā)[13]。

(1) 驅(qū)動程序開發(fā)設(shè)計

利用LabWindows/CVI集成的VISA(Virtual Instrument Software Architecture，即虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu))函數(shù)庫[13]，可以方便的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的儀器控制系統(tǒng)的開發(fā)。VISA結(jié)構(gòu)將所有的I/O控制形成了一個函數(shù)庫，該函數(shù)庫適用于VXI儀器、GPIB儀器、RS-232等各種類型儀器，應(yīng)用十分廣泛、靈活[14]。

(2) 軟面板設(shè)計

為方便對模塊的調(diào)試和應(yīng)用，達(dá)到可視化控制，進(jìn)行了軟面板設(shè)計，在實(shí)際測試程序的開發(fā)中也可以直接調(diào)用這些面板，實(shí)現(xiàn)手動操作，對于維護(hù)過程中的故障隔離也具有很大幫助。

圖5 抗干擾設(shè)計電路圖Fig.5 Principle of the antijamming circuitry

圖6 同步/異步通信協(xié)議兼容電路圖Fig.6 Principle of the communication circuitry

本模塊軟面板設(shè)計如圖7所示，為模塊設(shè)置了通新通道選擇、校驗(yàn)選擇、強(qiáng)制校驗(yàn)選擇、校驗(yàn)方式選擇、數(shù)據(jù)長度選擇、停止位長度選擇、波特率選擇等設(shè)置菜單，用戶可以根據(jù)需求靈活選擇通信方式，對收發(fā)格式進(jìn)行調(diào)整。

圖7 RS-422/485模塊軟面板Fig.7 Software panel of the RS-422/485 module

3 結(jié)束語

隨著導(dǎo)彈技術(shù)的不斷進(jìn)步，適應(yīng)不同導(dǎo)彈對象的測試任務(wù)，提升綜合測試系統(tǒng)通用性與靈活性，提高測試效率是導(dǎo)彈測試技術(shù)關(guān)注的重要方向。針對目前VXI總線儀器測試系統(tǒng)模塊開發(fā)過程中，模塊功能較為單一，RS-422，RS-485接口電路形式多樣，易出現(xiàn)接口不匹配、通用性差等問題。本設(shè)計遵循國標(biāo)規(guī)范以及國際建議標(biāo)準(zhǔn)，綜合系統(tǒng)電路設(shè)計多種因素，借鑒成功設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，綜合運(yùn)用可編程邏輯器件、EDA，IP核設(shè)計、電氣隔離以及大容量數(shù)據(jù)存儲等技術(shù)，研制出一種兼容RS-422/485的VXI C型尺寸的通用模塊研制，具有一定的擴(kuò)展性和通用性，實(shí)現(xiàn)“一模兩用”，有效避免模塊儀器的重復(fù)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)資源共享，降低系統(tǒng)開發(fā)與測試代價，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。具有良好的通用性、實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性價值。

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Universal RS-422/485 Module Based on VXI Bus

SUN Xue-cong,SHAO Yun-feng,MA Xiao-dong

(Beijing Institute of Electronic System Engineering， Beijing 100854， China)

The function of VXI bus module is too simple and the RS-422 and RS-485 interface easily goes wrong to complete the missile comprehensive test. This design is based on VXI bus, synthesizing complex programmable logic device (CPLD), IP core design, electricity isolation and mass storage device to develop a universal RS-422/485 module based on VXI bus. After being tested, experimentation and comprehensive test, the module proves of good reliability, universality and economy.

VXI bus; RS-422;RS-485; universal

2014-04-11；

2014-07-31

有

孫學(xué)聰(1984-)，山東平度人。工程師，碩士，研究方向?yàn)閷?dǎo)彈綜合測試技術(shù)，測發(fā)控技術(shù)。

通信地址：100854 北京142信箱30分箱 E-mail：sunxuecong@163.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2015.04.031

TP273

A

1009-086X(2015)-04-0184-06