基于IP技術(shù)對(duì)R&S200系列甚高頻遠(yuǎn)程監(jiān)控的改造

（民航湖南空管分局 湖南 410141）

R&S200系列甚高頻是我國(guó)上世紀(jì)90年代左右從德國(guó)引進(jìn)的用于民航空管甚高頻通信的設(shè)備，由于制造時(shí)間較早，遠(yuǎn)程監(jiān)控只支持一對(duì)一的RS232 串口通信方式，該通信方式存在線路容易受干擾、不能進(jìn)行有效的電氣隔離、容易受雷擊或雷電感應(yīng)、組網(wǎng)復(fù)雜、接入設(shè)備復(fù)雜且成本高等缺點(diǎn)。本文針對(duì)該問題，提出了一種基于IP技術(shù)對(duì)該設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控傳輸進(jìn)行改造的方案，實(shí)現(xiàn)了該設(shè)備通過IP方式進(jìn)行高效、便捷、可靠的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)方案如1 圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖所示。左側(cè)的R&S200 VHF是R&S200系列的甚高頻發(fā)射機(jī)或接收機(jī)或收發(fā)一體機(jī)設(shè)備。GV201是R&S200系列甚高頻的本地集中監(jiān)控設(shè)備，該設(shè)備通過RS422 總線和R&S200系列的VHF設(shè)備互聯(lián)，GV201 提供DB25 接口X14，該接口協(xié)議類型為RS232 帶硬件流控。右側(cè)是遠(yuǎn)程監(jiān)控RCMS，該遠(yuǎn)程監(jiān)控通過專用串口卡提供4 路（P1，P2，P3，P4）RS232 帶硬件流控協(xié)議的DB25 接口。GV201 一般安裝在VHF設(shè)備機(jī)房，而RCMS 則安裝在遠(yuǎn)端的監(jiān)控大廳，要想實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，必須通過某種方式使得GV201的X14 接口和RCMS 進(jìn)行通信，傳統(tǒng)的方式是GV201 通過PCM 接入設(shè)備提供的RS232 接口和RCMS 進(jìn)行通信。隨著通信技術(shù)的發(fā)展和業(yè)務(wù)量的不斷擴(kuò)大，PCM 通信的機(jī)房布線復(fù)雜、帶寬利用率低、終端不靈活、組網(wǎng)不便捷等缺點(diǎn)越來越突出，而IP網(wǎng)絡(luò)的低成本、大容量、靈活組網(wǎng)等優(yōu)勢(shì)則逐漸體現(xiàn)出來。本文提出了一種基于IP技術(shù)對(duì)R&S200系列甚高頻遠(yuǎn)程監(jiān)控通信改造的方案，如圖1中的虛線框所示。通過開發(fā)一款針對(duì)該IP/串口協(xié)議轉(zhuǎn)換的裝置，在GV201 出來的X14 接口就把帶硬件流控的RS 232協(xié)議轉(zhuǎn)換成了IP協(xié)議，然后通過交換機(jī)（可以共享機(jī)房現(xiàn)有的交換機(jī)，從而節(jié)約成本，建議設(shè)置VLAN）走IP網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)端進(jìn)行互聯(lián)。在RCMS遠(yuǎn)端則是相反的過程，首先把多個(gè)IP網(wǎng)絡(luò)通過交換機(jī)進(jìn)行互聯(lián)，然后送至IP/串口協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置，該裝置提供IP/串口之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，最終和RCMS的P1(P2、P3、P4 具體看RCMS的配置)進(jìn)行通信。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

在本方案中，IP/串口協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置是專門針對(duì)R&S200系列甚高頻遠(yuǎn)程監(jiān)控協(xié)議轉(zhuǎn)換的裝置，所以需要進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。在GV201端，該協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置需考慮到設(shè)計(jì)的尺寸，使之適合直接安裝在GV201的X14 接口上；在RCMS端，則需要考慮支持多個(gè)帶硬件流控的RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換。方案采用上海樂鑫科技公司的型號(hào)為ESP-WROOM-02D的SOC 作為主控芯片，該芯片采用Xtensa 32-bit LX6 雙核處理器，運(yùn)算能力高達(dá)600MIPS，集成UART、以太網(wǎng)MAC接口、觸摸傳感器、A/D 轉(zhuǎn)換、D/A 轉(zhuǎn)換等外設(shè)。在本方案主要用到了SOC的UART 外設(shè)和ETH 外設(shè)。UART 外設(shè)用于和GV201和RCMS的RS232 進(jìn)行連接，由于SOC的邏輯電平為L(zhǎng)VCOMS，與V.24 RS232的邏輯電平不匹配，所以中間需要加HIN207 芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。ETH 外設(shè)用于IP網(wǎng)絡(luò)，該SOC內(nèi)置了RMII 接口的MAC，所需還需加PHY 芯片和網(wǎng)絡(luò)變壓器等才能和外部IP設(shè)備進(jìn)行通信，系統(tǒng)選用LAN8720 以太網(wǎng)模塊。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。圖2從左至右依次是：首先是標(biāo)準(zhǔn)DB25 接口，用于連接GV201 X14或者RCMS的P1-P4端口，走的是EIA RS-232協(xié)議；然后是電平轉(zhuǎn)換模塊，完成RS232 電平和LVCOMS 電平之間的邏輯電平轉(zhuǎn)換；其次是SOC 主控，負(fù)責(zé)UART和IP之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，以及其他的控制；最后是網(wǎng)絡(luò)模塊，通過RMII 總線協(xié)議，完成SOC的MAC和PHY之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換和IP網(wǎng)絡(luò)收發(fā)。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)方案中，設(shè)計(jì)的軟件是用于運(yùn)行在SOC 芯片中，完成UART和IP協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換和一些輔助功能。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)框圖如下圖3所示。系統(tǒng)搭載開源免費(fèi)的FreeRTOS 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)任務(wù)。軟件的功能模塊主要由系統(tǒng)參數(shù)管理、UART 管理、數(shù)據(jù)和流控管理、報(bào)文加密解密管理、通信協(xié)議管理、ETH IP管理6個(gè)模塊組成。系統(tǒng)參數(shù)管理主要是對(duì)參數(shù)表進(jìn)行維護(hù)，包括參數(shù)查詢、修改、參數(shù)表的flash存儲(chǔ)等，可以通過串口或客戶端網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置。UART 管理主要是管理UART 硬件模塊，可以通過設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、起始位、停止位、奇偶校驗(yàn)、流控方式、數(shù)據(jù)DMA 等寄存器，完成UART的硬件初始化，GV201 X14端口和RCMS P1-P4端口的參數(shù)一般為：波特率9600，無奇偶校驗(yàn)、8 位數(shù)據(jù)位、1 位起始、1 位停止位。數(shù)據(jù)和流控管理主要是管理多個(gè)UART端口和多個(gè)IP端口之間的數(shù)據(jù)交互以及之間的流控控制。報(bào)文加密解密管理用于IP報(bào)文的加密和解密，為了提升系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全性，對(duì)IP報(bào)文進(jìn)行了AES加密，SOC 芯片支持AES硬件加密，可以快速地完成IP報(bào)文的加密和解密運(yùn)算。通信協(xié)議管理主要是管理多個(gè)IP/串口協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置之間的通信，系統(tǒng)支持1對(duì)1、1對(duì)n、n對(duì)1、n對(duì)n 通信，可以通過參數(shù)配置把指定的UART端口數(shù)據(jù)送到指定的UART端口。多個(gè)IP/串口協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置之間可以選擇UDP 或TCP模式進(jìn)行傳輸。ETH IP管理主要用于管理LAN8720網(wǎng)絡(luò)模塊，以及IP網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)事件，同時(shí)也完成SOC的WIFI 功能管理。

圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

4 結(jié)語

該方案具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)： IP/串口協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置體積小，直接安裝在GV201的X14 接口，外形美觀不占太大的空間；成本低，通過采用高性價(jià)比的國(guó)產(chǎn)SOC 物聯(lián)網(wǎng)芯片，極大減低硬件成本；組網(wǎng)方便，布線靈活。尤其是RCMS端，以前需要多根串口線從PCM設(shè)備連接至監(jiān)控主機(jī)，現(xiàn)在只需一根網(wǎng)線即可；對(duì)報(bào)文進(jìn)行AES加密，對(duì)比原來的直接PCM 通信，現(xiàn)有的通信方式更具網(wǎng)絡(luò)安全性。目前，該方案已經(jīng)在民航湖南空管分局部署使用，解決了之前R&S200系列甚高頻RCMS 遠(yuǎn)程監(jiān)控信號(hào)不穩(wěn)定、組網(wǎng)不靈活等問題，提升了設(shè)備的保障能力。