RS422-USB接口转接装置的设计与实现

第３９卷第６期　２０１６年１２月　电子器件　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　ＶｏｌＩ　３９　Ｎｏ．６　Ｄｅｃ．２０１６　Ｔｈｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＲＳ４２２　ａｎｄ　ＵＳＢ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｄｅｖｉｃｅ　ＺＨＡＮＧ　Ｙａｏ厂ｅｎｇ１，２，ＺＨＡＮＧ　Ｈｕｉｘｉｎ　，ＬＩ　Ｄａｑｕａｎ　（１．ＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００５１，Ｃｈｉｎａ；２．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆｌｎｓｔｒｕｍｅ凡ｔ０ｔｉ０ｎＳｃｉｅ　ｃｅ＆Ｏｙｎ０，ｎ　ｃ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００５１，Ｃｈｉｎａ；３．ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅＳｙｓｔｅｍｓ，Ｂｅｉｉｆｎｇ　１０００７６．Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｒｅａｌｉｚｅｓ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ＲＳ４２２　ａｎｄ　ＵＳＢ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ＦＰＧＡ　ａｓ　ｔｈｅ　ｃ０ｎｔｒｏｌ　ｕｎｉｔ．ＦＰＧＡ　ｐｌａｙｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｒｏｌｅ　ｔｏ　ｍａｋｅ　ｔｈｅ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ｄａｔａ　ａｎｄ　ｓｅｒｉａｌ　ｄａｔａ　ａｎｄ　ｍａｔｃｈ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｒａｔｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　Ｒ￥４２２　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　Ｄｒｉｎ．　ｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｄｅｖｉｃｅ　ｉＳ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ａｓ　ｂｅｌｏｗ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ａｒｅ　ａｔｔａｃｈｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｒ￥４２２；ＵＳＢ；ＦＰＧＡ；ＣＹ７Ｃ６８０　１　３；ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ＥＥＡＣＣ：６２５０　ｄｏｉ：１０．３９６９０．ｉｓｓｎ．１００５—９４９０．２０１６．０６．０２８　ＲＳ４２２一ＵＳＢ接口转接装置的设计与实现　张耀峰　，张会新　，李大全　（１．中北大学电子测试技术国家重点试验室，太原０３００５１；２．仪器科学与动态测试教育部重点试验室，　太原０３００５　１；３．北京宇航系统研究所，北京１０００７６）　摘　要：设计的装置实现ＲＳ４２２接口和ＵＳＢ接口的转接，采用ＦＰＧＡ作为连接ＲＳ４２２接口与ＵＳＢ接口的控制单元，对数据进　行串并转换和两种接口数据传输速率匹配；转接装置采用ＵＳＢ单片机ＣＹ７Ｃ６８０１３作为数据按照ＵＳＢ协议转换的单元，实现　ＦＰＧＡ通过ＣＹ７Ｃ６８０１３与Ｐｃ机的双向通信。下面阐述转接装置的原理，并附有数据测试结果。　关键词：ＲＳ４２２；ＵＳＢ；ＦＰＧＡ；ＣＹ７Ｃ６８０１３；转接　中图分类号：ＴＮ９１９　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５—９４９０（２０１６）０６—１４２５—０４　随着电脑外设和数码产品的不断发展、不同通　两种接口的设备可以正常通信。　信总线的提出，信息通讯领域有了迅猛发展，各种　通讯总线由于自身特点的不同，均有着广泛的应用　领域及前景；其中ＵＳＢ接口具有双向传输、传输速　１总体方案设计　转接装置采用模块化设计的思路，各个模块既　度快、支持热拔插等特点使之在计算机接口及终端　电子产品中占据主导地位，有逐渐取代其他标准接　口的趋势ｎ　；ＲＳ４２２接口采用差分方式传输数据，在　通讯距离、抗共模干扰能力等方面性能都比较好，　相互独立又相互配合　］，主要由电源转化模块、　ＲＳ４２２接口模块、ＦＰＧＡ控制模块、ＵＳＢ单片机数据　处理模块组成。ＦＰＧＡ控制单元还需要配置ＰＲＯＭ　和晶振来发挥其主控作用。ＲＳ４２２接口芯片选用　ＤＳ２６Ｃ３２，ＦＰＧＡ选用Ｘｉｌｉｎｘ公司生产的Ｓｐａ￣ａｎ一３ＡＮ　传输距离可达１　２００　ｍ［２］，使得工业及民用大量设备　装置采用ＲＳ４２２接口传输数据。ＲＳ４２２接口的不足　之处在于传输速度慢，这给很多传统的以ＲＳ４２２为　通信接口的外围设备面临着巨大的考验，而ＵＳＢ接　口却能弥补这一缺点ｂ　；设计的转接装置目的在于　解决ＲＳ４２２接口与ＵＳＢ接口互联的问题，使带有这　收稿日期：２０１５—１１—１８　修改日期：２０１５—１２—２０　系列的可编程芯片ＸＣ３Ｓ１４００ＡＮ，ＵＳＢ单片机选用　ＣＹ７Ｃ６８０１３。为了匹配ＵＳＢ接口与ＲＳ４２２接口的数　据传输速率，在ＦＰＧＡ内部构建两个ＲＡＭ缓存。ＰＣ　机通过串口调试助手分析数据传输的正确性。总　体结构如图１所示。　１４２６　电　子　器件　第３９卷　图１总体结构框图　２模块化设计　２．１电源模块　电压转换模块外接２８　Ｖ电压，首先经过ＥＭＩ滤波　模块，输出的电压在ＤＣ／ＤＣ转换模块的作用下产生５　Ｖ　电压，再经过ＴＰＳ７０３４５产生３－３　Ｖ、１．２　Ｖ电压。ＦＰＧＡ　供电电压为３－３　Ｖ和１．２　Ｖ，ＵＳＢ单片机ＣＹ７Ｃ６８０１３供　电电压为３．３　Ｖ，ＲＳ４２２接口芯片ＤＳ２６Ｃ３２供电电压为　５　ｖ。电压转化模块如图２、图３所示。　ｏ　ｏ　＋２８ＶＯ．　１　＋Ⅵｎ　Ｌ　、＋Ｖｉｎ　，０ｕｔ　５　＋５Ｖ２　一—ｖｊｎ　ＧＮＤ　６　ＧＮＤ２　－２８ＶＯ４　一Ⅵｎ　（ｂ）　图２　ＥＭＩ和ＤＣ／ＤＣ电路　３－３Ｖ　．　．　．　．　２　ＶＩＮＩ　Ｖ３３０１　２３一　．丁　ＶＩＮ２　Ｖ３３０２　ＶＩＮ３　Ｖ３３ｏ３　＝　ｕＦ　Ｌ　　ｌＶＩＮ４　墨　ＳＥＱ　Ｖ１２０１　１４　ｌ　Ｉｌ　Ｃｌ　Ｇ　Ｖ１２Ｏ２　１０６　ｌ０４　１０４　＝　——　０　ＧＮＤ　Ｖ１２Ｏ３　ｕＦ　１　ＧＮＤ２　一上　ｌ２　ＧＮＤ３　ＮＣ７　２Ｏ　３－３、　ｌ３　ＧＮＤ４　ＮＣ６　ｌ９　２４　ＧＮＤ５　ＮＣ５　１８　７　ＥＮ　ＮＣ４　１７　ＮＣ３　６　４　ＮＣ１　ＮＣ２　图３　ＴＰＳ７０３４５电压转换电路　ＥＭＩ滤波模块对系统输入的２８　Ｖ电压进行滤　波处理，这不但能够抑制系统自身产生的ＥＭＩ噪　声，同时可以为ＦＰＧＡ以及其他芯片提供无衰减的　直流输入电压，滤除由电网加进来的各种干扰信　号，使设备不受ＥＭＩ噪声干扰ｂ］。　２．２　ＲＳ４２２接口模块　数据传输选用ＰＣＭ数据。ＲＳ４２２接口芯片选　用ＤＳ２６Ｃ３１Ｊ、ＤＳ２６Ｃ３２Ｊ。ＰＣＭ数据经过ＤＳ２６Ｃ３２Ｊ　接收，将接收到的从上游ＤＳ２６Ｃ３　１Ｊ发送的差分信号　ＭＴＢ＋／一、ＰＣＭ＋／一还原成原来的ＭＴＢ（码同步）、ＰＣＭ　信号平　］，输出至ＦＰＧＡ写人缓存；ＰＣＭ数据经　ＤＳ２６Ｃ３１Ｊ发送，将ＭＴＢ、ＰＣＭ信号转换成差分信号　ＭＴＢ＋／一、ＰＣＭ＋／一传输给外围设备。接收接口电路　如图４所示，发送接口电路如图５所示。　Ｖ　一　一　图４　ＲＳ４２２接收接口电路　～一～一～一～一　一Ｈ一　ＲＶＣＣ　————＿［二二ｌ３０　１Ｋ二］—］一　－－７ｌ　Ｕ２２　ＤＳ２６Ｃ３１　０ＵＴＡ＋　ＥＮ　５　１－－￣４　ＯＵ１＇Ａ—ＶＣＣ　∞　ｏＵＴＢ＋　Ａ　０ＵＴＢ—ＩＮＢ　ｒＮＣ　０ＵＴＣ＋ｒＮＤ　ｌ９　ＯＵＴＣ—　ＯＵＴＤ＋　／ＥＮ　ＯＵＴＤ—ＧＮＤ　堡一　ＪＩ　图５　ＲＳ４２２发送接口电路　２．３　ＵＳＢ单片机数据处理模块　ＵＳＢ接口作为与ＰＣ机通信的接口，当ＦＰＧＡ　给ＵＳＢ接口发送数据或ＰＣ机通过ＵＳＢ接口给ＦＰ—　ＧＡ发送数据时，ＵＳＢ单片机ＣＹ７Ｃ６８０１３通过运行　固件代码将接收到的数据按照ＵＳＢ２．０的协议转　化。ＣＹ７Ｃ６８０１３的固件代码通过外部配置的　Ｅ　ＰＲＯＭ芯片２４Ｃ６４来运行＂］，固件代码存储在　２４Ｃ６４中，单片机上电时固件代码自动从２４Ｃ６４下　载到ＣＹ７Ｃ６８０１３中并执行固件程序。ＣＹ７Ｃ６８０１３　一＂　第６期　张耀峰，张会新等：ＲＳ４２２．ＵＳＢ接口转接装置的设计与实现　１４２７　的数据可通过它的ＤＰＬＵＳ和ＤＩＭＩＮＵＳ管脚与ＰＣ　机的ＵＳＢ接口的Ｄ＋、Ｄ一连接，实现指令和批量数　理，ＣＹ７Ｃ６８０１３的数据可通过管脚ＧＰＩＦ０一ＧＰＩＦ７与　ＦＰＧＡ传输；ＣＴＬ０与ＣＴＬ２、ＲＤＹ０与ＲＤＹ２管脚分　别作为数据发送和数据接收的控制管脚　。电路　据的传输；ＰＣ机经过ＵＳＢ接口给ＣＹ７Ｃ６８０１３发送　的指令可通过ＰＥ０一ＰＥ７管脚发送至ＦＰＧＡ进行处　如图６所示。　Ｖ　图６　ＲＳ４２２接口接收电路　２．４　ＦＰＧＡ控制模块　当ＰＣＭ数据的传输方向为ＲＳ４２２接收接口到　３数据测试结果　ＵＳＢ接口时，ＦＰＧＡ将从ＲＳ４２２接收接口接收到的　图７为ＰＣ机通过串口调试助手收到ＰＣＭ数据，　ＰＣＭ数据串行转并行存人到缓存１中，然后输出给　从下图可看到ＰＣＭ数据的帧格式：主帧同步码ＥＢ　ＵＳＢ单片机ＣＹ７Ｃ６８０１３进行数据处理，处理后可通　９Ｏ，副帧同步码１４　６Ｆ，帧有效数据为ｏ０～５Ｃ的递增　过ＵＳＢ接口传送给Ｐｃ机；当ＰＣＭ数据的传输方向　数，传输过程中没有丢失数据、没有误码。　为ＵＳＢ接口到ＲＳ４２２发送接口时，ＦＰＧＡ将从ＵＳＢ　５２　５３　５４　５５　５６　５７　５８　５９　５Ａ　５Ｂ　５Ｃ　３５　ＥＢ　９０　５２　５３　５４　５５　５６　５７　５８　５９　５Ａ　５Ｂ　５Ｃ　３６　主帧　单片机ＣＹ７Ｃ６８０１３输出的并行数据存人到缓存２　５２　５３　５４　５５　５６　５７　５８　５９　５Ａ　５Ｂ　５Ｃ　３７　同步码　５２　５３　５４　５５　５６　５７　５８　５９　５Ａ　５Ｂ　５Ｃ　３８　ＥＢ　９０　中，然后并行数据转串行数据输出至ＲＳ４２２发送接　５２　５３　５４　５５　５６　５７　５８　５９　５Ａ　５Ｂ　５Ｃ　３９　ＥＢ　９０　口；缓存１、缓存２起到两种接口之间数据传输速率　５２　５３　５４　５５　５６　５７　５８　５９　５Ａ　５Ｂ　５Ｃ　匝　舶＿＿９。－－　主帧　５２　５３　５４　５５　５６　５７　５８　５９　５Ａ　５Ｂ　５Ｃ　３Ｂ　ＥＢ　９０　帧计数　匹配的作用。ＰＣＭ数据帧格式如表１所示阳　。　５２　５３　５４　５５　５６　５７　５８　５９　５Ａ　５Ｂ　５Ｃ　３Ｃ　ＥＢ　９０　５２　５３　５４　５５　５６　５７　５８　５９　５Ａ　５Ｂ　５Ｃ　３Ｄ　ＥＢ　９０　表１　ＰＣＭ数据帧格式表　５３　５４　５５　５６　５７　５８　５９　５Ａ　ＥＢ　９Ｏ　５２　５３　５４　５５　５６　５７　５８　５９　５Ａ　回　副帧　同步码　递增数据　副帧同步码北　图７　ＰＣＭ数据　４结论　转接装置实现了ＲＳ４２２接口和ＵＳＢ接口的互　１４２８　电　子　器件　第３９卷　联，保证了数据的完整性。ＦＰＧＡ具有可编程性和　灵活性，可满足很多数据类型的传输要求，并对数　据灵活转换，ＰＣＭ数据便是其中的一种。转接装置　中ＦＰＧＡ作为连接ＲＳ４２２接口芯片和ＵＳＢ单片机　ＣＹ７Ｃ６８０１３的桥梁，达到了两种接口之间数据互传　的目的。　参考文献：　［１］胡晓军，张爱成．ＵＳＢ接口开发技术［Ｍ］．西安电子科技大学出　版社，２００５．　［２］夏美云，刑文生．实现ＵＳＢ到４２２／４８５高速智能型转换器［Ｊ］．　水利电力机械，２００４，２６（４）：３９—４０，４３．　［３］刘祝垣，郑建生，林炳章，等．ＵＳＢ到多路ＲＳ４２２转换器的电路　实现『Ｊ］．电子设计工程，２０１１，１９（８）：１８６—１８９．ＤＯＩ：１０．３９６９／　张耀峰（１９９０一），男，汉族，山西忻州人，　学生，现为中北大学在读硕士，研究方向　为动态测试技术与仪器，１５１１６８８５９０＠　ｑｑ・ｔｏｍ；　ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４—６２３６．２０１１．０８．０５７．　［４］魏敏，刘文怡，王金陵，等．基于交叉双平面技术的图像采集存　储系统［Ｊ］．电视技术，２０１３，３７（１５）：６３—６６，８１．ＤＯＩ：１０．３９６９￣．　ｉｓｓｎ．１００２—８６９２．２０１３．１５．０１８．　［５］韦斯顿．电磁兼容原理及应用［Ｍ］．杨自佑，王守三，译．２版．　北京：机械工业出版社，２００６：６０１—６６０．　［６］邸丽霞．双通道遥测数据存储测试系统的设计［Ｄ］．太原：中北　大学，２０１４．　［７］陈承，张会新，叶勇，等．多记录器并行监控设备的设计与实现　［Ｊ］．科学技术与工程，２０１２，１２（３２）：８７３７－８７４１．ＤＯＩ：１０．３９６９／　ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１—１８１５．２０１２．３２．０５７．　［８］Ｃｙｐｒｅｓｓ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．ＣＹ７Ｃ６８０１３　ＥＺ—ＵＳＢ　ＦＸ２ＴＭ　ＵＳＢ　Ｍｉｃｒｏ—Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．ＷＷＷ．Ｃｙｐｒｅｓｓ．Ｃｏｍ，２００２．　［９］刘建梁．基于ＮＡＮＤ　Ｆｌａｓｈ的多参数数据记录器的研究与实现　［Ｄ］．太原：中北大学，２０１５．　张会新（１９８０一），男，汉族，黑龙江牡丹江　人，讲师，现为北京航空航天大学在读博　士，研究方向为抗过载存储技术及动态　测试技术与仪器，ｚｈａｎｇｈｘ＠ｎｕｃ．ｅｄｕ．ｃａ。