RS422-USB接口轉(zhuǎn)接裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

張耀峰，張會新*，李大全

（1.中北大學電子測試技術(shù)國家重點試驗室，太原030051；2.儀器科學與動態(tài)測試教育部重點試驗室，太原030051；3.北京宇航系統(tǒng)研究所，北京100076）

RS422-USB接口轉(zhuǎn)接裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

張耀峰1，2，張會新1，2*，李大全3

（1.中北大學電子測試技術(shù)國家重點試驗室，太原030051；2.儀器科學與動態(tài)測試教育部重點試驗室，太原030051；3.北京宇航系統(tǒng)研究所，北京100076）

設(shè)計的裝置實現(xiàn)RS422接口和USB接口的轉(zhuǎn)接，采用FPGA作為連接RS422接口與USB接口的控制單元，對數(shù)據(jù)進行串并轉(zhuǎn)換和兩種接口數(shù)據(jù)傳輸速率匹配；轉(zhuǎn)接裝置采用USB單片機CY7C68013作為數(shù)據(jù)按照USB協(xié)議轉(zhuǎn)換的單元，實現(xiàn)FPGA通過CY7C68013與PC機的雙向通信。下面闡述轉(zhuǎn)接裝置的原理，并附有數(shù)據(jù)測試結(jié)果。

RS422；USB；FPGA；CY7C68013；轉(zhuǎn)接

隨著電腦外設(shè)和數(shù)碼產(chǎn)品的不斷發(fā)展、不同通信總線的提出，信息通訊領(lǐng)域有了迅猛發(fā)展，各種通訊總線由于自身特點的不同，均有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域及前景；其中USB接口具有雙向傳輸、傳輸速度快、支持熱拔插等特點使之在計算機接口及終端電子產(chǎn)品中占據(jù)主導地位，有逐漸取代其他標準接口的趨勢［1］；RS422接口采用差分方式傳輸數(shù)據(jù)，在通訊距離、抗共模干擾能力等方面性能都比較好，傳輸距離可達1 200 m［2］，使得工業(yè)及民用大量設(shè)備裝置采用RS422接口傳輸數(shù)據(jù)。RS422接口的不足之處在于傳輸速度慢，這給很多傳統(tǒng)的以RS422為通信接口的外圍設(shè)備面臨著巨大的考驗，而USB接口卻能彌補這一缺點［3］；設(shè)計的轉(zhuǎn)接裝置目的在于解決RS422接口與USB接口互聯(lián)的問題，使帶有這兩種接口的設(shè)備可以正常通信。

1 總體方案設(shè)計

轉(zhuǎn)接裝置采用模塊化設(shè)計的思路，各個模塊既相互獨立又相互配合［4］，主要由電源轉(zhuǎn)化模塊、RS422接口模塊、FPGA控制模塊、USB單片機數(shù)據(jù)處理模塊組成。FPGA控制單元還需要配置PROM和晶振來發(fā)揮其主控作用。RS422接口芯片選用DS26C32，F(xiàn)PGA選用Xilinx公司生產(chǎn)的Spartan-3AN系列的可編程芯片XC3S1400AN，USB單片機選用CY7C68013。為了匹配USB接口與RS422接口的數(shù)據(jù)傳輸速率，在FPGA內(nèi)部構(gòu)建兩個RAM緩存。PC機通過串口調(diào)試助手分析數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

2 模塊化設(shè)計

2.1 電源模塊

電壓轉(zhuǎn)換模塊外接28 V電壓，首先經(jīng)過EMI濾波模塊，輸出的電壓在DC/DC轉(zhuǎn)換模塊的作用下產(chǎn)生5 V電壓，再經(jīng)過TPS70345產(chǎn)生3.3 V、1.2 V電壓。FPGA供電電壓為3.3 V和1.2 V，USB單片機CY7C68013供電電壓為3.3 V，RS422接口芯片DS26C32供電電壓為5 V。電壓轉(zhuǎn)化模塊如圖2、圖3所示。

圖2 EMI和DC/DC電路

圖3 TPS70345電壓轉(zhuǎn)換電路

EMI濾波模塊對系統(tǒng)輸入的28 V電壓進行濾波處理，這不但能夠抑制系統(tǒng)自身產(chǎn)生的EMI噪聲，同時可以為FPGA以及其他芯片提供無衰減的直流輸入電壓，濾除由電網(wǎng)加進來的各種干擾信號，使設(shè)備不受EMI噪聲干擾［5］。

2.2 RS422接口模塊

數(shù)據(jù)傳輸選用PCM數(shù)據(jù)。RS422接口芯片選用DS26C31J、DS26C32J。PCM數(shù)據(jù)經(jīng)過DS26C32J接收，將接收到的從上游DS26C31J發(fā)送的差分信號MTB+/-、PCM+/-還原成原來的MTB（碼同步）、PCM信號平［6］，輸出至FPGA寫入緩存；PCM數(shù)據(jù)經(jīng)DS26C31J發(fā)送，將MTB、PCM信號轉(zhuǎn)換成差分信號MTB+/-、PCM+/-傳輸給外圍設(shè)備。接收接口電路如圖4所示，發(fā)送接口電路如圖5所示。

圖4 RS422接收接口電路

圖5 RS422發(fā)送接口電路

2.3 USB單片機數(shù)據(jù)處理模塊

USB接口作為與PC機通信的接口，當FPGA給USB接口發(fā)送數(shù)據(jù)或PC機通過USB接口給FP?GA發(fā)送數(shù)據(jù)時，USB單片機CY7C68013通過運行固件代碼將接收到的數(shù)據(jù)按照USB2.0的協(xié)議轉(zhuǎn)化。CY7C68013的固件代碼通過外部配置的E2PROM芯片24C64來運行［7］，固件代碼存儲在24C64中，單片機上電時固件代碼自動從24C64下載到CY7C68013中并執(zhí)行固件程序。CY7C68013的數(shù)據(jù)可通過它的DPLUS和DIMINUS管腳與PC機的USB接口的D+、D-連接，實現(xiàn)指令和批量數(shù)據(jù)的傳輸；PC機經(jīng)過USB接口給CY7C68013發(fā)送的指令可通過PE0-PE7管腳發(fā)送至FPGA進行處理，CY7C68013的數(shù)據(jù)可通過管腳GPIF0-GPIF7與FPGA傳輸；CTL0與CTL2、RDY0與RDY2管腳分別作為數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收的控制管腳［8］。電路如圖6所示。

圖6 RS422接口接收電路

2.4 FPGA控制模塊

當PCM數(shù)據(jù)的傳輸方向為RS422接收接口到USB接口時，F(xiàn)PGA將從RS422接收接口接收到的PCM數(shù)據(jù)串行轉(zhuǎn)并行存入到緩存1中，然后輸出給USB單片機CY7C68013進行數(shù)據(jù)處理，處理后可通過USB接口傳送給PC機；當PCM數(shù)據(jù)的傳輸方向為USB接口到RS422發(fā)送接口時，F(xiàn)PGA將從USB單片機CY7C68013輸出的并行數(shù)據(jù)存入到緩存2中，然后并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)串行數(shù)據(jù)輸出至RS422發(fā)送接口；緩存1、緩存2起到兩種接口之間數(shù)據(jù)傳輸速率匹配的作用。PCM數(shù)據(jù)幀格式如表1所示［9］。

表1 PCM數(shù)據(jù)幀格式表

3 數(shù)據(jù)測試結(jié)果

圖7為PC機通過串口調(diào)試助手收到PCM數(shù)據(jù)，從下圖可看到PCM數(shù)據(jù)的幀格式：主幀同步碼EB 90，副幀同步碼14 6F，幀有效數(shù)據(jù)為00～5C的遞增數(shù)，傳輸過程中沒有丟失數(shù)據(jù)、沒有誤碼。

圖7 PCM數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

轉(zhuǎn)接裝置實現(xiàn)了RS422接口和USB接口的互聯(lián)，保證了數(shù)據(jù)的完整性。FPGA具有可編程性和靈活性，可滿足很多數(shù)據(jù)類型的傳輸要求，并對數(shù)據(jù)靈活轉(zhuǎn)換，PCM數(shù)據(jù)便是其中的一種。轉(zhuǎn)接裝置中FPGA作為連接RS422接口芯片和USB單片機CY7C68013的橋梁，達到了兩種接口之間數(shù)據(jù)互傳的目的。

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張耀峰（1990-），男，漢族，山西忻州人，學生，現(xiàn)為中北大學在讀碩士，研究方向為動態(tài)測試技術(shù)與儀器，1511688590@ qq.com；

張會新（1980-），男，漢族，黑龍江牡丹江人，講師，現(xiàn)為北京航空航天大學在讀博士，研究方向為抗過載存儲技術(shù)及動態(tài)測試技術(shù)與儀器，zhanghx@nuc.edu.cn。

The Design and Implementation of RS422 and USB Transfer Device

ZHANG Yaofeng1，2，ZHANG Huixin1，2*，LI Daquan3
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement of Ministry of Education，Taiyuan 030051，China；3.Beijing Institute of Aerospace Systems，Beijing 100076，China）

The design realizes the transformation between RS422 and USB interface，by using FPGA as the control unit.FPGA plays an important role to make the conversion between parallel data and serial data and match the transmission rate between RS422 and USB interface.The transfer device uses USB microcontroller CY7C68013 to converse the data according to the USB protocol，realizing the mutual transmission between FPGA and PC.The prin?ciple of the transfer device is described as below，and the results of the test are attached.

RS422；USB；FPGA；CY7C68013；transformation

TN919

A

1005-9490（2016）06-1425-04

6250

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.06.028

2015-11-18 修改日期：2015-12-20