多通信接口外系统等效器设计

张亮红，杜文略，刘文怡

（中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室 电子测试技术重点实验室，太原 030051）

随着科技的快速发展，航空航天设备、军用系统等高科技产品的开发规模和复杂程度都有了质的飞跃。自动测试系统ATS的高可靠性使其逐渐替代人工检测并广泛地应用于航空航天领域，为航空航天产品研发、生产等各个环节提供了有效保障。测试系统及控制系统有许多接口，为了在实验室情况下对测量系统各种对外接口进行全面测试，提高等效器应用的广泛性，设计了基于FPGA的多通信接口的外系统等效器，使其可以与PCI接口、USB接口或以太网接口的测试系统进行联合使用[1]。

该等效器采用模块化设计，以增强其通用性、可靠性、智能性，而且出现问题后可以高效解决。等效器系统通过PCI接口、USB接口或以太网接口接收上位机的下发命令，再通过光电转换模块经光纤将命令、数据与背板进行交互，再由背板通过RS422接口向各个功能板卡转发命令控制相应板卡电路产生相应信号，各个信号在不同板卡上，避免其相互干扰，且方便进行功能改造及升级。

1 系统的总体结构

等效器系统框架如图1所示，外系统等效器主要包括双模通信接口板、背板、模拟信号板、指令信号板、数字量信号板、脉冲信号板，实现外系统等效器的信号源功能。

图1 系统总体结构Fig.1 System architecture

工控机通过VB编写的上位机软件与外系统等效器多通信接口板的PCI接口、USB接口或以太网接口进行命令、数据的交互。外系统等效器采用模块化设计方式，按照功能设计板卡，外系统等效器通过光纤将多通信接口板接收的上位机命令及数据传输给背板，再通过背板RS422接口将命令转发至各功能板。各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[2]。

2 系统硬件设计

2.1 PCI接口电路设计

PCI总线传输速率高，数据位为32位时，数据传输最大可达132 MB/s，当数据宽度扩展为64位时，传输速率可达到264 MB/s。因此本设计将PCI接口作为与上位机通信的接口之一。PCI9054是PXI公司的PCI接口芯片，它集成了PCI接口协议，在本设计中采用PCI9054作为PCI总线与FPGA的桥接芯片，PCI9054符合PCI2.2协议，工作时钟支持33 MHz和66 MHz，数据总线支持32位和 64位，它与FPGA的硬件接口框图如图2所示。

图2 PCI与FPGA硬件连接图Fig.2 Hardware connection diagram of PCI and FPGA

PCI9054的数据传输模式有3种：主模式、从模式、DMA模式。本设计选择PCI9054从模式，PCI9054作为本地总线主控设备通过和进行本地总线仲裁。仲裁过程为当PCI9054收到PCI端发出的读写命令后，向LOCAL端即FPGA发出信号，表明PCI端已经准备就绪，返回信号至PCI9054，表明双方都已准备好，可以进行正常的数据传输，否则需等待12个CLK就释放总线。

2.2 USB接口电路设计

USB接口是PC机常用的通信接口之一，以数据传输可靠稳定、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。FTDI公司的FT245L避免了计算机驱动程序及对其固件程序开发，有效缩短开发周期，传输速率1 MB/s可以满足本设计要求。FT245RL接口电路如图3所示，FT245RL有总线供电和自供电2种供电模式，本系统功耗较大，设计中选择自供电模式。FT245RL供电电压支持3.3 V～5 V，设计中选用5 V供电以满足大功耗需求。

图3 正弦交流信号电路图Fig.3 Circuit diagram of sinusoidal AC signal

为了降低外界及电磁干扰对USB接口数据传输造成的影响，一方面在USB接口电源接口需增加磁珠以减少设备与主机的干扰，另一方面在USB接口数据传输线中串入滤波器ADCM2012减少纹波引起的干扰。

2.3 以太网接口电路设计

本系统选用WizNet公司的W5300设计以太网接口与主机通信。此芯片集介质访问控制管理、物理层控制、固件通信协议于一体，大大简化了接口设计工作，提高了设计效率。设计中W5300采用直接寻址模式，FPGA将W5300配置成接收模块，在直接寻址模式下，FPGA通过地址总线可以访问W5300的内部寄存器。以太网与FPGA的连接如图4所示。

图4 W5300与FPGA管脚连接图Fig.4 Pin connection diagram of W5300 with FPGA

设计中BIT16EN为高电平，设置为16位数据总线；TEST_MODE［3：0］和 OP_MODE［3：0］引脚接地，配置为全功能自动握手工作模式；W5300与RJ45之间接入隔离变压器，既能提高稳定性和抗噪性又能保护接口电路[3]。

2.4 模拟量板电路设计

模拟量板的电路设计中，数字隔离电路设计、D/A转换电路设计及调理电路设计是设计关键。此板卡主要功能是通过FPGA控制输出48路12 bit包含数字量信息的串行数据，经过ADuM1400进行数模隔离后由AD5628实现DA转换，再经轨到轨的运算放大器OPA4234进行电压偏置、电压放大或电压跟随， 得到-10 V～10 V、-5 V～5 V、0～5 V、-5 V～0的直流量。对于不同幅值的直流量信号，上位机通过控制寄存器及命令配置改变数字信号，通过DA转换产生小幅度的电压变化，经过信号调理电路得到所需电压。一般数模转换会采取DA转换芯片与模拟开关相结合的方法实现，而本设计中1片AD5628可以通过芯片内部寄存器实现8路DA模拟输出，替代了模拟开关的功能，优化了设计。如图5所示以1片AD5628八路模拟量输出为例介绍了模拟板硬件原理图设计。

3 系统控制逻辑设计

3.1 PCI9054控制逻辑设计

FPGA对PCI9054逻辑控制过程如下：

（1）复位。当全局复位信号reset#使能，状态机进入全局复位状态；

（2）仲裁。PCI9054通过有效hold来申请本地总线，若hold置高，表示PCI总线已经准备好数据，FPGA检测到hold有效后，向PCI9054返回hold有效值（高电平），说明PCI总线和本地总线都已准备好，可以进行下一步操作[4]；

（3）启动读写操作。FPGA检测地址锁存信号ads#是否有效，ads#为低电平意味着开启了新的总线访问有效地址，可以进行读写操作；

图5 模拟量板硬件电路设计Fig.5 Hardware circuit design of analog board

（4）读写操作。FPGA检测PCI9054的wr来确定是读操作还是写操作，wr为低进入读模式，否则进入写模式，在读模式中，FPGA会读取对应地址寄存器中的内容，包括读取PCI卡的状态信息、读取批量的上传数据。在写模式中，通过判断寄存器地址，向FPGA的缓存寄存器中写入32位命令，并按照标准协议对32位命令进行打包下发。

3.2 W5300控制逻辑设计

系统中主要以FPGA控制W5300实现以太网通信，在正确配置之前先对其进行初始化，分为3步。

第1步建立后缀名为coe的文件：先建立后缀名为txt的文本文档，定义数据的进制，以及定义寄存器地址及寄存器的值，每个寄存器地址和值之间以逗号结束，然后将后缀名改为coe文件；

第2步在ISE10.1软件中新建一个IP core，并将其命名为rom，深度为64，宽度为16，读取方式为只读。按照索引载入第一步建立的后缀名为coe的文件。点击生成，就可以生成rom；

第3步编写VHDL程序，并读取IP核中的数据[5]。

data.coe文件中存储的寄存器值及其含义如表1所示。

表1 寄存器值及其含义Tab.1 Register values and meanings

4 系统试验结果与分析

以产生的PCM码流为例，PCM码流的检测需要另一块数字量板实现发送字同步信号、位同步信号，并将接收到的PCM码流上传到上位机进行检测。如图6所示为测试板发出的字同步、位同步信号[6]。

图6 测试板字同步和位同步信号Fig.6 Test board word synchronization and bit synchronization signal

如图7所示为在位同步上升沿发送的一个PCM数据，测试系统接收PCM数据会在位同步的下降沿接收。

图7 位同步信号与PCM信号Fig.7 Sync signal and PCM signal

测试板收到PCM数据会上传至上位机，上位机会存储数据文件，如图8所示。此数据包设定模式为递增数，帧头、帧尾分别设为0xEB90、0x146，帧长度设为256字节。

图8 PCM码流数据文件Fig.8 PCM stream data file

5 结语

本文研究设计了一种应用于测量系统与飞行器控制系统的等效接口，产生各种测试所需的信号，以达到在实验室、总装厂以及技术阵地能全面模拟外系统配合测量系统进行系统测试。通过对系统实测数据和波形的分析结果显示，系统能准确通过PCI、USB或以太网接口接收上位机发送的命令，控制各个功能模块产生所需的信号，已成功用于某航天测试系统中。

[1]苏虎平.集成多总线的等效测试系统设计与实现[D].太原：中北大学，2013.

[2]连恒兴.集成多总线接口的外系统等效器设计与实现[D].太原：中北大学，2012.

[3]李勋，刘文怡.基于FPGA的以太网接口设计与实现[J].自动化与仪表，2014，29（5）：57-60.

[4]任永峰.飞航导弹遥测匹配装置自动监测系统研究[D].太原：中北大学，2000.

[5]陈嫣然，张会新，郑燕露.基于PCI9054的通信卡设计[J].电视技术，2012，36（5）：33-34.

[6]苏虎平，沈三民，刘文怡，等.基于USB和FPGA的多功能等效器设计[J].电视技术，2012，36（23）：50-53.