一种双模通讯的外系统等效器设计

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1、一种双模通讯的外系统等效器设计为了克服航天飞行器进行地面模拟测试时，外系统等效器通讯容易中断的问题，设计了一种基于PCI和USB通信技术的外系统等效器。系统以FPGA为中央控制核心，围绕FT245RL和PCI9054芯片进行电路设计，完成对上位机的信息传输，实现了10路RS485信号和PCM信号的输出。经长期测试，信号输出稳定，满足任务要求，已成功应用于某航天测量系统中。0引言随着航空航天设备、军用系统等产品的自动测试系统(ATS)面对越来越复杂的测试环境，影响系统稳定工作的因素也越来越多，传统工控机与外系统等效器之间往往采取单总线通信，由于总线通信受到干扰导致信号通信中断，降低了测试设

2、备的可靠性[1]。为了提高通信可靠性，本文设计了一种基于PCI和以太X总线接口的外系统等效器，为了保证数据可靠传输，采用了双总线通信，当一条总线中断时，另一条总线也可以继续工作，用以高效稳定地模拟控制系统及测试系统的接口，实现了在地面实验室完成对飞行器系统的闭环测试。1系统原理设计外系统等效器基于FPGA，USB，PCI技术，采用模块化设计，按照功能设计区分各板卡，设计框图如图1所示。上位机发送的命令和数据通过光纤或者USB接口下发，经过背板，将命令有序传达至各功能板。背板在外系统等效器中的功能为上位机与外系统等效器的数据中转站，此板卡不对数据或命令作任何处理，接收下发的数据、命令，直接

3、转发给功能板[2]。功能板接收到背板发送的数据或命令信息，进行命令解析，按照寄存器执行各通道功能。数字信号板即该等效器功能板，主要实现RS485信号和PCM信号。RS485信号通过标准的RS485接口芯片实现信号输出，同时用光耦隔离提高FPGA引脚对RS485接口芯片的驱动能力。另外，此板卡能够接收测量系统发送的位同步、字同步信号，并按照一定的帧格式输出PCM信号。2硬件电路设计2.1PCI接口电路设计在本设计中PCI总线与FPGA的桥接芯片选用PCI9054，它集成了PCI接口协议，用户不需要深入掌握PCI通信协议，降低了PCI总线的开发难度，方便用户使用[3]。其工作时钟为33MHz

4、，允许支持32位数据总线，符合PCI2.2协议，传输速度根据项目要求设计为10MB/s。本设计中PCI9054选择从模式，从模式允许PCI总线上的主控设备访问局部总线上的配置寄存器和内存，支持单周期和突发动模式传输[4]。PCI9054通过PCI从设备从FIFO中读写数据的长度分别为16B和32B，以支持从PCI总线到局部总线上的突发和单周期存储器映射访问和I/O映射访问。PCI9054作为本地总线主控设备通过和进行本地总线仲裁。仲裁过程如下：当PCI9054收到PCI端发出的读写控制命令后，随即向FPGA发出控制信号，表明PCI端已经准备就绪，此时FPGA将信号回馈给PCI9054，表

5、明双方都已准备就绪，可以进行正常的数据传输，否则需等待12个CLK才能释放总线。PCI接口与FPGA硬件接口如图2所示。2.2USB接口电路设计USB接口是计算机常用的通信接口之一，以数据传输可靠稳定，传输速率快，通用性强，扩展性强，支持热插拔等优势广泛应用于各个领域的产品开发[5]。选择了FTDI公司的FT245L作为USB接口芯片，其接口电路如图3所示，FT245RL有总线供电和自供电两种供电模式，总线供电模式中，USB接口最大驱动电流只能达到500mA，此种供电模式只适用于小电流、低功耗的系统[6]。由于本系统功耗较大，所以设计中选择5V自供电模式来满足功耗要求。为了进一步优化外界

6、和电磁干扰对USB数据传输造成的影响，一方面增加磁珠配置在USB电源接口处，从而减少设备与主机的干扰;另一方面串入滤波器ADCM2012在USB接口数据传输线中减少纹波引起的干扰。2.3数字信号板电路模块设计在本设计中选用SN55LBC176作为RS485接口芯片，接口电路如图4所示，SN55LBC176是一款抗雷击芯片，对于多节点系统中复杂的现场状况，选用此款芯片可以有效避免由于雷击而引起的故障[7]。在设计电路时，选用光耦器件HCPL?0631作为隔离芯片，由于光耦器件的输入端为发光二极管，其干扰源等效电阻很大，可以有效地抑制尖峰脉冲，从而进一步优化系统，降低电磁干扰对系统的影响。P

7、CM信号源模块实现的功能是接收测试系统字同步和位同步信号，按照测试系统数据传输的波特率产生一路带有帧格式且数据量可调的PCM码流。设计中采用DS26C31和DS26C32分别作为RS422信号的驱动和接收芯片。由于两者的电源脚、地脚、信号使能端以及4路差分信号同相端均相同，不同之处是DS26C32和DS26C31的TTL信号端反相[8]。根据这个特点，在PCB布局时，将RS422电路模块设计为通用型，使DS26C31，DS26C32