基于W7100的雷達(dá)通信控制器設(shè)計

(成都航天通信設(shè)備有限責(zé)任公司，四川 成都 610051)

·機(jī)電工程·

基于W7100的雷達(dá)通信控制器設(shè)計

陳丹丹, 程 志, 趙建宏, 馮新華, 曾慶紅

(成都航天通信設(shè)備有限責(zé)任公司，四川 成都 610051)

為解決雷達(dá)數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換問題，實現(xiàn)雷達(dá)數(shù)據(jù)共享，設(shè)計了一款基于網(wǎng)絡(luò)微處理器W7100的雷達(dá)通信控制器。該控制器利用W7100控制串行通信芯片AM85C30實現(xiàn)雷達(dá)數(shù)據(jù)與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)格式之間的轉(zhuǎn)換。利用TCP&UDP測試工具對該控制器在長期工作中發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的速率及丟包率進(jìn)行測試，其結(jié)果表明，該控制器能較好地滿足雷達(dá)數(shù)據(jù)的傳送速度、可靠性等通信性能要求。

W7100;雷達(dá)通信；控制器；HDLC

雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸是空管自動化系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。雷達(dá)等設(shè)備通常使用專用的接口和協(xié)議，其數(shù)據(jù)協(xié)議一般為HDLC格式，多采用同步串口實現(xiàn)端對端傳輸，并需要安裝串口卡實現(xiàn)與雷達(dá)數(shù)據(jù)處理機(jī)的數(shù)據(jù)共享，這就浪費(fèi)了資源，降低了處理機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力，同時，接線復(fù)雜，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和故障可恢復(fù)性也大大降低[1-3]；因此，需要一種通信轉(zhuǎn)換設(shè)備，將雷達(dá)等設(shè)備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)，實現(xiàn)服務(wù)計算機(jī)的監(jiān)控和與其他設(shè)備的信息共享。目前，此類通信轉(zhuǎn)換在國內(nèi)少有研發(fā)，主要依靠從國外進(jìn)口，但進(jìn)口設(shè)備成本高、維修困難；因此，本文設(shè)計一種能對雷達(dá)數(shù)據(jù)格式和以太網(wǎng)通信協(xié)議數(shù)據(jù)格式進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換的控制器。

如圖1所示，雷達(dá)通信控制器主要在雷達(dá)與監(jiān)控計算機(jī)/交換機(jī)/路由器之間起著橋接功能，即雷達(dá)通信控制器對HDLC格式的雷達(dá)數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)格式數(shù)據(jù)間相互轉(zhuǎn)化。這些數(shù)據(jù)即可直接進(jìn)入監(jiān)控計算機(jī)以便于處理，也可通過路由器或者交換機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。此外，通過PC機(jī)上的超級終端對雷達(dá)通信控制器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)置，如網(wǎng)關(guān)、IP地址、雷達(dá)數(shù)據(jù)速率參數(shù)配置，也可查看當(dāng)前雷達(dá)通信控制器的網(wǎng)絡(luò)配置的相關(guān)參數(shù)。

圖1 通信控制器的應(yīng)用連接圖

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

雷達(dá)通信控制器的硬件設(shè)計主要是雷達(dá)數(shù)據(jù)接口與網(wǎng)絡(luò)接口之間的硬件設(shè)計；軟件設(shè)計主要完成HDLC格式的雷達(dá)數(shù)據(jù)的協(xié)議解析及其與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)格式之間相互轉(zhuǎn)換等。

解析HDLC協(xié)議的雷達(dá)數(shù)據(jù)，可采用增強(qiáng)型通信控制器ESCC來實現(xiàn)。設(shè)計10M/100M以太網(wǎng)數(shù)據(jù)與雷達(dá)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換可以采用如圖2所示的3種方案。其中，圖(a)采用通用單片機(jī)與硬件TCP/IP協(xié)議模塊或者芯片，完成網(wǎng)絡(luò)與雷達(dá)間數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。圖(b)(c)則分別采用高性能微處理器DSP或者FPGA、具有網(wǎng)絡(luò)功能的微處理器來實現(xiàn)該轉(zhuǎn)換。

(a)基于通用單片機(jī)

(b)基于DSP或者FPGA

(c)基于含網(wǎng)絡(luò)功能的微處理器

圖2(a)方案實時性較差、穩(wěn)定性不高，既增加了成本和設(shè)計難度，又導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性的降低。圖2(b)方案應(yīng)用DSP或者FPGA等高性能處理器，則大大增加了開發(fā)成本與硬件調(diào)試難度。采用圖2(c)方案，利用自帶網(wǎng)絡(luò)處理功能的微處理器則較好地克服了上述問題。本文將利用方案(c)設(shè)計雷達(dá)通信控制器。

1.2軟件方案設(shè)計

如圖3所示，雷達(dá)通信控制器的軟件一方面完成雷達(dá)數(shù)據(jù)的協(xié)議解析，將解析后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)格式數(shù)據(jù)，另一方面對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式處理，完成向雷達(dá)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)程序主要有系統(tǒng)的初始化、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置、協(xié)議解析、串行數(shù)據(jù)收發(fā)、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)等。其中系統(tǒng)的初始化包括網(wǎng)絡(luò)微處理器的初始化、串口的初始化、TCP/IP初始化、定時器初始化等。協(xié)議的解析包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)向雷達(dá)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)解析和由雷達(dá)數(shù)據(jù)向網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時的HDLC協(xié)議的解析。

圖3 軟件程序框圖

2 硬件設(shè)計

2.1總體設(shè)計

如圖4所示，雷達(dá)通信控制器主要由網(wǎng)絡(luò)微處理器和協(xié)議編解碼模塊構(gòu)成。通過雷達(dá)接口接收的雷達(dá)數(shù)據(jù)經(jīng)RS232電平轉(zhuǎn)換模塊后，轉(zhuǎn)換成TTL電平，再經(jīng)HDLC協(xié)議編解碼模塊轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，再經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后送至MCU處理，由微處理器將這些數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。同理，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)經(jīng)MCU后轉(zhuǎn)換成固定格式的數(shù)據(jù)送至HDLC協(xié)議編解碼模塊轉(zhuǎn)化成雷達(dá)數(shù)據(jù)后，再由雷達(dá)接口送給雷達(dá)。此外，通過串口對通信控制器的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行配置，通過LED指示燈顯示通信控制器目前的狀態(tài)。

平時寫日記時，不必拘泥于詞數(shù)的多少，也不要強(qiáng)求成篇。有話則長，無話則短，能寫幾句就寫幾句，能寫幾段就寫幾段，花費(fèi)時間不要太多，但貴在堅持。遇到不會表達(dá)的語句，可以暫用漢語來代替，以后自己水平提高了，再返回去將漢語譯成英文。要有目的地多用剛學(xué)到的詞匯，時間充裕的話，還可以多查查詞典，了解它們的用法，盡量不要使用自己不確定的詞匯和句子結(jié)構(gòu)。

圖4 雷達(dá)通信控制器硬件原理框圖

2.2網(wǎng)絡(luò)微處理器

W7100是一款功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)微處理器，內(nèi)部含有一個與8051兼容的8位微處理器內(nèi)核和硬件的TCP/IP內(nèi)核[4]。網(wǎng)絡(luò)微處理器硬件主要由時鐘電路、復(fù)位電路和啟動模式配置電路等。其中時鐘電路和復(fù)位電路均采用微處理器常用的電路。啟動配置電路如圖5所示，通過引腳PM0-2上下拉電阻進(jìn)行配置，一方面接下拉4.7 kΩ電阻，另一方面通過一組撥碼開關(guān)連高電平。其默認(rèn)為下拉接地，為正常啟動模式。引腳BOOTEN控制啟動代碼運(yùn)行控制：若為低電平，處理器從啟動存儲區(qū)跳到代碼存儲區(qū)(flash)，后運(yùn)行應(yīng)用程序代碼；若為高電平，在啟動存儲區(qū)運(yùn)行啟動代碼。

圖5 主控電路圖

2.3 HDLC協(xié)議編解碼模塊

HDLC協(xié)議編解碼模塊采用集成芯片AM85C30，該器件為增強(qiáng)型串行通信集成電路，雙通道，每通道提供收發(fā)雙向服務(wù)，支持設(shè)備所需要的HDLC協(xié)議。該芯片內(nèi)部集成了波特率生成器、數(shù)字鎖相環(huán)和晶體振蕩器等可編程器件，具有2路串并、并串轉(zhuǎn)換功能[5]。

AM85C30 的接口電路如圖6所示。它可實現(xiàn)全雙工異步通信。電路采用有響應(yīng)中斷模式, 即在AM85C30有中斷申請且沒有進(jìn)行中斷服務(wù)時, 將AM85C30 的INT 引腳拉低有效, 以向CPU 申請中斷, 而MCU在需要將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成雷達(dá)數(shù)據(jù)時，向AM85C30 輸出INTACK 中斷響應(yīng)信號，以便于AM85C30的轉(zhuǎn)換。

圖6 AM85C30應(yīng)用電路圖

2.4其他模塊設(shè)計

其他模塊主要有電源電路、時鐘電路、復(fù)位電路等，其中時鐘電路和復(fù)位電路均采用處理器芯片公司推薦的方式。電源電路如圖7所示，雷達(dá)通信控制器JPS接口外接標(biāo)準(zhǔn)9 V直流電源，通過LM2596S-6穩(wěn)壓芯片給系統(tǒng)板提供工作所需的5 V電源。 該5 V電源通過LM2576穩(wěn)壓芯片得到系統(tǒng)所需的3.3 V直流電壓。另外，設(shè)計了用于指示電源狀態(tài)及各種通信信息的指示燈。

圖7 電源電路圖

2.5接口設(shè)計

如表1所示，通信控制器的接口包括網(wǎng)絡(luò)接口、雷達(dá)數(shù)據(jù)接口、配置接口等。網(wǎng)絡(luò)接口采用RJ-45的LAN口；雷達(dá)接口采用25針 sub-D型母型接頭與雷達(dá)實現(xiàn)互聯(lián)；配置接口采用9針sub-D型母頭與PC機(jī)互聯(lián)。

表1 通信控制器接口

3 軟件設(shè)計

在Keil中，實現(xiàn)系統(tǒng)初始化、加載和配置、串行數(shù)據(jù)收發(fā)、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)、協(xié)議轉(zhuǎn)換、PC參數(shù)配置管理等功能。為保證工作狀態(tài)不會被誤操作破壞，本設(shè)計的雷達(dá)通信控制器設(shè)置有配置、工作2種狀態(tài)。上電后首先檢測網(wǎng)絡(luò)連接，若無網(wǎng)絡(luò)連接直接進(jìn)入配置狀態(tài)，若有網(wǎng)絡(luò)連接，則進(jìn)入工作狀態(tài)。在工作狀態(tài)，若想改變本機(jī)的參數(shù)，需拔掉網(wǎng)線，連接PC參數(shù)配置接口(按照說明進(jìn)行配置)。在進(jìn)入配置狀態(tài)后可進(jìn)行規(guī)定參數(shù)的配置，配置后的參數(shù)重新啟動可以生效。

如圖8所示，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括W7100的配置[6]、參數(shù)加載、定時器初始化、串口初始化、配置AM85C30工作參數(shù)、配置TCP/IP協(xié)議棧硬核工作參數(shù)等[7-8]。配置部分負(fù)責(zé)上電后W7100自行啟動，初始化中斷系統(tǒng)，使各外圍硬件芯片正常工作，設(shè)備進(jìn)入到既定的工作狀態(tài)。

上電后，W7100檢測啟動模式撥碼開關(guān)的硬件狀態(tài)，完成代碼加載，配置模式寄存器(MR)和中斷寄存器(IMR)，配置系統(tǒng)的定時器T0，配置以太網(wǎng)的重發(fā)時間和重發(fā)計數(shù)寄存器，配置以太網(wǎng)工作在UDP協(xié)議下，配置Socket參數(shù)[9]。

根據(jù)Default引腳狀態(tài)，判斷是否載入默認(rèn)的出廠設(shè)置參數(shù)。若不載入默認(rèn)設(shè)置，則按照用戶最后一次配置值載入網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備參數(shù)。這些參數(shù)包括雷達(dá)接口速率、雷達(dá)時鐘模式、網(wǎng)關(guān)與本機(jī)物理地址、子網(wǎng)掩碼、本機(jī)和目的的IP地址和Socket端口號等。

本機(jī)物理地址是MAC層的硬件地址，這是生產(chǎn)商指定使用的地址。MAC地址由IEEE指定，在后期可手動修改參數(shù)，在設(shè)備研制階段設(shè)置一個任意的MAC地址。

W7100按照要求配置自帶的UART為異步串口，比特率默認(rèn)值為9 600 b·s-1，此串口是用戶的參數(shù)配置串口。按照AM85C30的數(shù)據(jù)手冊，產(chǎn)生AM85C30的讀寫時序，與AM85C30并行數(shù)據(jù)端口交互數(shù)據(jù)，正確配置AM85C30芯片為HDLC模式。

圖8 軟件流程框圖

檢測以太網(wǎng)口的Link信號，若網(wǎng)線連接，該信號有效，則進(jìn)入工作狀態(tài)，若沒有連接網(wǎng)線，則進(jìn)入用戶參數(shù)配置狀態(tài)。

雷達(dá)數(shù)據(jù)收發(fā)負(fù)責(zé)接收和發(fā)送串行的雷達(dá)數(shù)據(jù)。AM85C30接收到串行雷達(dá)數(shù)據(jù)后，會以中斷方式通知主程序，系統(tǒng)判斷中斷的類型，若接收正常，每次會收到HDLC協(xié)議的幀尾同步字段中斷，此時提取收到的數(shù)據(jù)長度，將數(shù)據(jù)存入接收數(shù)據(jù)緩沖中，同時更新緩沖內(nèi)待發(fā)數(shù)據(jù)長度。若接收數(shù)據(jù)緩沖中有待發(fā)數(shù)據(jù)，則正確讀取這些數(shù)據(jù)，并將其從AM85C30相應(yīng)的HDLC串行通道中發(fā)送出去。

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)負(fù)責(zé)從以太網(wǎng)上正確地收發(fā)網(wǎng)絡(luò)雷達(dá)數(shù)據(jù)。響應(yīng)TCP/IP協(xié)議棧中斷，判斷中斷類型，若W7100是從以太網(wǎng)接口接收網(wǎng)絡(luò)雷達(dá)數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)存入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收緩沖，并更新待發(fā)數(shù)據(jù)長度。系統(tǒng)監(jiān)測接收緩沖區(qū)中待發(fā)數(shù)據(jù)的長度，若該長度大于0,則認(rèn)為有數(shù)據(jù)待發(fā)，就啟動以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，正確讀取數(shù)據(jù)，并將其從W7100的網(wǎng)絡(luò)端口發(fā)送出去。若W7100接收的是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，則將其存放在以太網(wǎng)接收數(shù)據(jù)緩沖，當(dāng)一個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包接收完畢后，根據(jù)協(xié)議去掉UDP報頭，提取用戶數(shù)據(jù)的長度，若長度大于0,則判斷為收到有效的新數(shù)據(jù)，啟動HDLC數(shù)據(jù)發(fā)送。

控制器處于配置狀態(tài)時，W7100的串口接收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)協(xié)議解析為配置何種參數(shù),若為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，更新W7100內(nèi)部工作寄存器的值，同時將參數(shù)寫入內(nèi)置的256字節(jié)掉電不失的Data Flash中，若為串行通信參數(shù)，則產(chǎn)生AM85C30芯片的讀寫時序,更新AM85C30內(nèi)部寄存器的值，同時將參數(shù)寫入內(nèi)置的256字節(jié)掉電不失的Data Flash中。系統(tǒng)重啟后，默認(rèn)載入用戶上一次配置的工作參數(shù)。

4 實驗

如圖9所示，采用2臺上述設(shè)計出的雷達(dá)通信控制器構(gòu)建該款控制器的實驗測試系統(tǒng)。其中，PC機(jī)1、2分別與雷達(dá)通信控制器I、II的連接均借助于以太網(wǎng)網(wǎng)線，雷達(dá)通信控制器I、II通過DB25針的DTE/DCE電纜連接。PC機(jī)1、2的串口均通過DB-9接線器分別與雷達(dá)通信控制器I、II相連。

圖9 雷達(dá)通信控制器測試系統(tǒng)連接圖

測試系統(tǒng)上電后，通過操控面板上的指示燈可觀測控制器是否正常工作，如“Power”指示燈亮則說明電源供給正常，“LINK”指示燈亮則表示網(wǎng)絡(luò)連接正常等。實驗中，利用超級終端并通過其串口配置，查詢了包括網(wǎng)關(guān)IP 、子網(wǎng)掩碼、本機(jī)IP、Socket端口號、Socket目的IP、Socket目的端口號、雷達(dá)接口數(shù)據(jù)速率(當(dāng)前支持速率9.6、38.4、64 kb·s-1)、時鐘模式(主、被動時鐘)等在內(nèi)的控制器全部參數(shù)。

通信測試的數(shù)據(jù)格式及數(shù)據(jù)流向如圖10所示。在PC機(jī)1上使用“TCP&UDP測試工具”產(chǎn)生數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)網(wǎng)線發(fā)送至雷達(dá)通信控制器I，從而進(jìn)入圖9所示的測試系統(tǒng)，最后流至PC機(jī)2，并在PC機(jī)2上利用“TCP&UDP測試工具”顯示出來。類似地進(jìn)行了PC機(jī)2產(chǎn)生數(shù)據(jù)源，PC機(jī)1接受并顯示數(shù)據(jù)的實驗。這些實驗均在9.6、38.4、64 kb·s-1數(shù)據(jù)通信速率下進(jìn)行了多次。

圖10 數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)流程圖

在所有的測試過程中，主板上的指示燈均能正常閃爍，且均能正確配置系統(tǒng)參數(shù)。其中，連續(xù)1 000包(每包10個字節(jié))的雷達(dá)數(shù)據(jù)通信實驗測試結(jié)果如表2所示。由表2可知，在不同雷達(dá)速率下，雷達(dá)通信控制器的丟包率都為0。這是由于雷達(dá)通信控制器應(yīng)用于雷達(dá)(PC機(jī)I模擬的)與監(jiān)控中心(PC機(jī)II模擬的)之間，不存在資源搶奪，與不同速率的雷達(dá)都能很好地互聯(lián)。

表2 實驗結(jié)果

若通信控制器應(yīng)用在多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中，此時存在資源搶占，通信控制器則采用TCP模式也可實現(xiàn)可靠地數(shù)據(jù)傳輸。

5 結(jié)論

本文提出一種可靠性高、穩(wěn)定性好的雷達(dá)通信控制器方案。在此基礎(chǔ)上，采用網(wǎng)絡(luò)微處理器W7100、串行通信芯核AM85C30設(shè)計了一款雷達(dá)通信控制器；構(gòu)建了測試該控制器性能的測試系統(tǒng)并進(jìn)行實驗。實驗結(jié)果表明，該控制器的指示燈能準(zhǔn)確地顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，控制器能對HDLC協(xié)議的雷達(dá)數(shù)據(jù)格式與TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化，支持RS232、UDP等通信協(xié)議且能在9.6、38.4、64 kb·s-13種速率下工作，通過接口，可配置其IP地址、網(wǎng)關(guān)、通信速率等參數(shù)。

該雷達(dá)通信控制器在雷達(dá)數(shù)據(jù)通信和雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方面具有配置靈活、性能穩(wěn)定、成本低等特點(diǎn)，已成功地試用于某空中交通管制自動化系統(tǒng)，且運(yùn)行良好。

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(編校：饒莉)

TheDesignofRadarCommunicationControllerBasedonW7100

CHEN Dan-dan, CHENG Zhi, ZHAO Jian-hong, FENG Xin-hua, ZENG Qing-hong

(ChengduAerospaceCommunicationsDeviceCompanyLimited,Chengdu610051China)

An effective scheme is presented to convert data formats of radar and network, and share radar data. Based on the scheme, a communication controller for radar is designed. It utilizes network Micro-processor W7100 to control serial communication IP AM85C30 in order to convert data format between radar data and Ethernet network data. The speed and packet loss rate of the controller sending/receiving data are tested with the TCP&UDP tools during long-term communication. The experiment results show that the controller can well meet the performance requirements for radar data communication, such as speed, reliability, and so on.

W7100；radar communication; controller; HDLC

2014-04-19

教育部“春暉計劃”重點(diǎn)資助項目(Z2012015)。

陳丹丹(1982—)，女，工程師，碩士，主要研究方向為通信與信息系統(tǒng)。E-mail:dellaspot@foxmail.com。

TN959

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：1673-159X(2015)02-0069-4

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.02.014