RS422-USB接口轉接裝置的設計與實現

張耀峰，張會新*，李大全

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

RS422-USB接口轉接裝置的設計與實現

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國家重點試驗室，太原030051；2.儀器科學與動態測試教育部重點試驗室，太原030051；3.北京宇航系統研究所，北京100076）

設計的裝置實現RS422接口和USB接口的轉接，采用FPGA作為連接RS422接口與USB接口的控制單元，對數據進行串并轉換和兩種接口數據傳輸速率匹配；轉接裝置采用USB單片機CY7C68013作為數據按照USB協議轉換的單元，實現FPGA通過CY7C68013與PC機的雙向通信。下面闡述轉接裝置的原理，并附有數據測試結果。

RS422；USB；FPGA；CY7C68013；轉接

隨著電腦外設和數碼產品的不斷發展、不同通信總線的提出，信息通訊領域有了迅猛發展，各種通訊總線由于自身特點的不同，均有著廣泛的應用領域及前景；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品中占據主導地位，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據，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］，使得工業及民用大量設備裝置采用RS422接口傳輸數據。RS422接口的不足之處在于傳輸速度慢，這給很多傳統的以RS422為通信接口的外圍設備面臨著巨大的考驗，而USB接口卻能彌補這一缺點［3］；設計的轉接裝置目的在于解決RS422接口與USB接口互聯的問題，使帶有這兩種接口的設備可以正常通信。

1 總體方案設計

轉接裝置采用模塊化設計的思路，各個模塊既相互獨立又相互配合［4］，主要由電源轉化模塊、RS422接口模塊、FPGA控制模塊、USB單片機數據處理模塊組成。FPGA控制單元還需要配置PROM和晶振來發揮其主控作用。RS422接口芯片選用DS26C32，FPGA選用Xilinx公司生產的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接口的數據傳輸速率，在FPGA內部構建兩個RAM緩存。PC機通過串口調試助手分析數據傳輸的正確性。總體結構如圖1所示。

圖1 總體結構框圖

2 模塊化設計

2.1 電源模塊

電壓轉換模塊外接28 V電壓，首先經過EMI濾波模塊，輸出的電壓在DC/DC轉換模塊的作用下產生5 V電壓，再經過TPS70345產生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。電壓轉化模塊如圖2、圖3所示。

圖2 EMI和DC/DC電路

圖3 TPS70345電壓轉換電路

EMI濾波模塊對系統輸入的28 V電壓進行濾波處理，這不但能夠抑制系統自身產生的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，濾除由電網加進來的各種干擾信號，使設備不受EMI噪聲干擾［5］。

2.2 RS422接口模塊

數據傳輸選用PCM數據。RS422接口芯片選用DS26C31J、DS26C32J。PCM數據經過DS26C32J接收，將接收到的從上游DS26C31J發送的差分信號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數據經DS26C31J發送，將MTB、PCM信號轉換成差分信號MTB+/-、PCM+/-傳輸給外圍設備。接收接口電路如圖4所示，發送接口電路如圖5所示。

圖4 RS422接收接口電路

圖5 RS422發送接口電路

2.3 USB單片機數據處理模塊

USB接口作為與PC機通信的接口，當FPGA給USB接口發送數據或PC機通過USB接口給FP?GA發送數據時，USB單片機CY7C68013通過運行固件代碼將接收到的數據按照USB2.0的協議轉化。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中并執行固件程序。CY7C68013的數據可通過它的DPLUS和DIMINUS管腳與PC機的USB接口的D+、D-連接，實現指令和批量數據的傳輸；PC機經過USB接口給CY7C68013發送的指令可通過PE0-PE7管腳發送至FPGA進行處理，CY7C68013的數據可通過管腳GPIF0-GPIF7與FPGA傳輸；CTL0與CTL2、RDY0與RDY2管腳分別作為數據發送和數據接收的控制管腳［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數據的傳輸方向為RS422接收接口到USB接口時，FPGA將從RS422接收接口接收到的PCM數據串行轉并行存入到緩存1中，然后輸出給USB單片機CY7C68013進行數據處理，處理后可通過USB接口傳送給PC機；當PCM數據的傳輸方向為USB接口到RS422發送接口時，FPGA將從USB單片機CY7C68013輸出的并行數據存入到緩存2中，然后并行數據轉串行數據輸出至RS422發送接口；緩存1、緩存2起到兩種接口之間數據傳輸速率匹配的作用。PCM數據幀格式如表1所示［9］。

表1 PCM數據幀格式表

3 數據測試結果

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

圖7 PCM數據

4 結論

轉接裝置實現了RS422接口和USB接口的互聯，保證了數據的完整性。FPGA具有可編程性和靈活性，可滿足很多數據類型的傳輸要求，并對數據靈活轉換，PCM數據便是其中的一種。轉接裝置中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據互傳的目的。

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

張會新（1980-），男，漢族，黑龍江牡丹江人，講師，現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及動態測試技術與儀器，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