(中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

1 引 言

21世紀(jì)航空系統(tǒng)的基石是空-地數(shù)據(jù)鏈路，采用什么數(shù)據(jù)鏈有多種選擇，S模式是眾多候選者中被證明非常有效的選擇，目前所有國際民用航空飛機都裝配有功能達到2級及以上的S模式應(yīng)答機[1，2]。采用S模式的一個巨大好處是，其數(shù)據(jù)鏈路能夠支持航空交通管理系統(tǒng)更大程度地自動化運作，數(shù)據(jù)鏈路的使用使得飛機能夠更安全地在空中交通密集區(qū)域飛行[3]。與此同時，還使得飛機能夠沿著更適合自己的技術(shù)能力、更經(jīng)濟的飛行路線飛行。地面和空中數(shù)據(jù)處理量的增加，使得更多的飛行數(shù)據(jù)以數(shù)字形式傳送，采用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)鏈路的方式能更有效地實現(xiàn)這些數(shù)據(jù)的傳輸。S模式數(shù)據(jù)鏈路能保證高可靠性、有效性和完整性，本文主要介紹S模式詢問機、地面數(shù)據(jù)鏈處理器、航跡處理器組建的數(shù)據(jù)鏈及其管理。對于S模式詢問機與航跡處理器、地面數(shù)據(jù)鏈處理器(GDLP)通信來往報文多，對報文傳輸?shù)膶崟r性和準(zhǔn)確性要求高，必須對這些傳輸報文設(shè)計合理的接口管理[4]。為了很好地完成通信管理，設(shè)計接口管理顯得尤其重要。

2 系統(tǒng)工作原理及硬件設(shè)計

本系統(tǒng)主要完成將S模式詢問機的點跡原始報文(方位信息、目標(biāo)類型信息等)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)報文格式，送航跡處理器和地面數(shù)據(jù)鏈處理器，并將來自地面數(shù)據(jù)鏈處理器和航跡處理器的標(biāo)準(zhǔn)報文進轉(zhuǎn)換為原始報文信息送S模式詢問機，同時將接口管理的自檢狀態(tài)信息(包括接口管理自身的硬件電路狀態(tài)和電源狀態(tài))送S模式詢問機進行實時顯示。其工作原理為：本系統(tǒng)的大規(guī)模集成電路FPGA通過并行總線以雙口RAM方式讀取S模式詢問機的應(yīng)答處理器點跡報告數(shù)據(jù)，并通過ISA總線將點跡數(shù)據(jù)寫給核心處理器PC104，控制單元提供的實時信號扇區(qū)號和正北脈沖以硬中斷的方式直接通知PC104，PC014將接收到點跡數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)GPS時間信息打上時戳發(fā)送給航跡處理器；航跡處理器預(yù)估建立航跡后，接收來自地面數(shù)據(jù)鏈處理器的報文信息轉(zhuǎn)換為原始報文信息，通過ISA總線寫給大規(guī)模邏輯電路FPGA，F(xiàn)PGA通過并行總線以雙口RAM將地面數(shù)據(jù)鏈處理器送來的信息送控制單元進行詢問；接口管理的硬件電路包括大規(guī)模可編程邏輯器件FPGA、PC104嵌入式計算機、AVR單片機、GPS接收機、校時授時電路和外圍接口芯片，其組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 數(shù)據(jù)交換模塊

數(shù)據(jù)交換模塊主要包括大規(guī)模集成電路FPGA與核心處理器PC104的數(shù)據(jù)交換以及接口模塊與應(yīng)答處理、控制模塊的數(shù)據(jù)交換。FPGA與PC104的數(shù)據(jù)交換主要是通過ISA總線完成數(shù)據(jù)的讀寫，兩者之間通過電平轉(zhuǎn)換芯片IDT74FCCT16245T完成，在加電初始化時，必須保證PC104的數(shù)據(jù)線和地址線保持高阻態(tài)，其實現(xiàn)方法是將IDT74FCCT16245T的OE接上拉電阻由FPGA進行使能控制；通常ISA總線讀寫方式有存取器讀/寫、DMA讀寫方式和I/O讀寫方式，存取器讀寫一般用于快速讀寫大量數(shù)據(jù)，DMA方式在數(shù)據(jù)量較大的情況下，I/O讀寫是最常用的讀寫方式，在該系統(tǒng)中，采用的是I/O讀寫方式，其讀寫時序如圖2所示。

圖2 ISA總線16位數(shù)據(jù)讀取時序圖

接口管理與應(yīng)答處理、控制模塊的數(shù)據(jù)交換主要以并行總線，通過雙口RAM完成數(shù)據(jù)交換，其中交換的數(shù)據(jù)信息包括S模式與普通模式(模式1、模式2、模式3、A、模式C)；主動方向被動方傳數(shù)時，先將數(shù)據(jù)寫入被動方的雙口RAM中，同時以硬中斷方式提醒對方,對方在確認片選信號未使用時，則完成數(shù)據(jù)的讀寫；被動方也以相同方式完成兩者間的數(shù)據(jù)交換,其時序流程框圖如圖3所示。

圖3 雙口RAM讀取時序圖

2.2 電源監(jiān)測模塊

監(jiān)測模塊主要監(jiān)測電源與模塊內(nèi)主要核心電路的故障情況，其中包括檢測自身功能是否正常，并將自檢結(jié)果通過并行總線送控制單元；同時能表征自身工作狀態(tài)的監(jiān)測點，并在監(jiān)測到故障后點亮故障告警燈；該電路主要選用ATMEL公司的ATmega128型號單片機，該單片機有8路10位的A/D功能，可完成同時進行8路信號的采樣；可以很好地設(shè)置A/D采樣的參考電壓采樣來對最小信號進行限制；采樣數(shù)據(jù)結(jié)果信息通過數(shù)據(jù)線直接送FPGA進行處理。

3 綜合管理功能及說明

接口管理與S模式詢問機物理接口為并行總線，傳輸為雙口RAM的讀寫方式，傳輸時鐘速率為40 MHz；與航跡處理器、地面數(shù)據(jù)鏈處理器(GDLP)的物理接口為10M/100M自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口，以UDP協(xié)議，其數(shù)據(jù)傳輸層的所有數(shù)據(jù)分為3個層次，頂層為高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程(HDLC)幀，中層為雷達數(shù)據(jù)塊報文，底層為各具體數(shù)據(jù)項，如圖4所示。

(a)HDLC幀格式

(b)數(shù)據(jù)記錄格式舉例(多字節(jié)FSPEC)

3.1 數(shù)據(jù)項

網(wǎng)絡(luò)接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報文主要有單雷達目標(biāo)報文CAT048、單雷達服務(wù)報文CAT034和S模式地面數(shù)據(jù)鏈報文CAT18 3種標(biāo)準(zhǔn)報文格式，CAT048主要用來傳輸目標(biāo)應(yīng)答解碼數(shù)據(jù)及相關(guān)信息，既有A/C模式目標(biāo)，又有S模式目標(biāo);CAT034主要用來傳輸天線掃描速度和過正北和過扇區(qū)等信息，點跡處理器接口單元每收到一次過正北或過扇區(qū)信號，對外傳輸1次CAT034報文; CAT18 用于在S模式地面詢問機和地面數(shù)據(jù)鏈處理器(GDLP)之間傳輸數(shù)據(jù)鏈報文。航跡處理器傳輸S模式目標(biāo)預(yù)估位置信息，航跡錄取器根據(jù)航跡計算結(jié)果給S模式詢問機的CAT049報文格式，預(yù)估位置提前90°傳送給S模式詢問機。

3.2 點跡管理

目標(biāo)點跡主要來自S模式詢問機的應(yīng)答處理器，有全呼應(yīng)答DF11、監(jiān)視高度應(yīng)答DF4、監(jiān)視編號應(yīng)答DF5、監(jiān)視高度COMM-B應(yīng)答DF20、監(jiān)視編號COMM-B應(yīng)答DF21、模式1、模式2、模式3/A、模式C以及模式1、模式2、模式3/A、模式C的交替詢問應(yīng)答結(jié)果數(shù)據(jù)；航跡處理器建立起航跡并送出目標(biāo)預(yù)估點跡的方位和距離，接口管理將預(yù)估點跡建立數(shù)據(jù)庫，點跡數(shù)據(jù)以每4 s完成400～600批目標(biāo)點跡報告的生成，即天線4 s掃描一圈，一圈分為32個扇區(qū)，一個扇區(qū)為125 ms,接口管理在125 ms內(nèi)完成整個數(shù)據(jù)庫的點跡數(shù)據(jù)查找，并將查找到的點跡數(shù)據(jù)根據(jù)方位信息提前兩個扇區(qū)將預(yù)估信息寫給S模式詢問機的參數(shù)數(shù)據(jù)建立臨時數(shù)據(jù)庫進行歸類緩存，如果在過扇區(qū)的鄰近兩個扇區(qū)有合適方位的點跡數(shù)據(jù)將建立暫時存取數(shù)組，通過并行總線方式將查找到的所有預(yù)估點跡的參數(shù)信息寫到雙口RAM里，提醒S模式詢問機進行數(shù)據(jù)讀?。蝗绻沁^零扇區(qū)，對點跡通信任務(wù)的參數(shù)檢查扇區(qū)參數(shù)是否超過95，如果是，將該組參數(shù)數(shù)據(jù)進行刪除，完成對點跡通信任務(wù)進行過期更新管理，并將后面數(shù)據(jù)進行向前推移處理。

3.3 航跡管理

在全呼叫監(jiān)聽模式下的S模式應(yīng)答，一旦捕獲目標(biāo)發(fā)生且航跡已經(jīng)建成，航跡處理器發(fā)送航跡建立報文給S模式詢問機( 當(dāng)接收到航跡處理器送來的航跡建立時；如果航跡目標(biāo)S模式地址在已經(jīng)建立的航跡數(shù)據(jù)庫里已經(jīng)存在，接口管理需要對航跡的位置和方位信息進行更新，否則將建立新航跡寫入航跡數(shù)據(jù)庫中)，接口管理通知詢問機S模式全呼叫詢問閉鎖的同時，通知GDLP該飛機已離開數(shù)據(jù)鏈覆蓋區(qū)，并在波束范圍內(nèi)提醒詢問機啟動UF5代碼監(jiān)視詢問；UF5代碼監(jiān)視詢問成功，接口管理通知S模式詢問機繼續(xù)進行高度監(jiān)視詢問，航跡處理器對航跡進行保持航跡監(jiān)視，直到航跡處理器通知航跡過期，接口管理通知S模式詢問機取消監(jiān)視，并通知地面數(shù)據(jù)鏈處理器航跡已離開覆蓋區(qū)，同時接口管理將對該航跡的所有通信任務(wù)信息進行清除；通常在航跡保持時，詢問機可以根據(jù)情況發(fā)起通信A、通信B和廣播等詢問，該系統(tǒng)講述了發(fā)起通信B的流程，當(dāng)有地面通信B的通信任務(wù)，接口管理將通信B的BDS碼(具體說明指被訪問的應(yīng)答數(shù)據(jù)寄存器的編碼，鑒別一個特別的地面發(fā)起的通信B(GICB)寄存器)寫給詢問機讓詢問機發(fā)起地面通信B詢問，傳輸?shù)孛嫠蟮臄?shù)據(jù)和提取應(yīng)答機儲存的信息，發(fā)起地面通信B成功，詢問機還應(yīng)向GDLP發(fā)送GICB提取數(shù)據(jù)回傳報文GICB_response，以指明是否一個應(yīng)答機的BDS寄存器中的數(shù)據(jù)提取被成功完成，地面發(fā)起航跡通信B的過程如圖5所示,其中：

(1)地面發(fā)起通信B由GDLP啟動，GDLP提供提取通信B的應(yīng)答機S地址、寄存器號以及提取通信B編號；

(2)詢問機可通過設(shè)置RR、S地址、DI、RRS并通過UF4/5/20/21提取通信B，在以UF20/21提取通信B時，同時應(yīng)參照通信A流程進行；

(3)詢問機應(yīng)將提取的通信B信息與發(fā)起的通信B命令進行配對，并根據(jù)譯碼情況設(shè)置GICB狀態(tài)(通信狀態(tài)設(shè)置參見CAT18中I018/001)，并打上時戳；

(4)詢問機將提取信息、狀態(tài)信息、GICB、時戳等回傳GDLP。

圖5 地面發(fā)起通信B框圖

3.4 與地面數(shù)據(jù)鏈通信任務(wù)管理

通信管理包括S模式詢問機與GDLP之間的接口狀態(tài)管理、數(shù)據(jù)廣播服務(wù)管理、地面發(fā)起通信B(GICB)服務(wù)管理、空對地下行數(shù)據(jù)鏈流程管理、地對空上行數(shù)據(jù)鏈流程管理,管理內(nèi)容如下所述。

(1)接口狀態(tài)管理

待GDLP開機后，接口管理接收到GDLP發(fā)送連接請求報文，每隔1 s發(fā)送1次，直到收到接口管理回送的連接響應(yīng)報文為止；在GDLP沒有信息發(fā)送給詢問機時，GDLP周期性(每秒1次)地發(fā)送Keep-alive報文給詢問機以保持連接；如果GDLP需要取消通信連接時， GDLP發(fā)送Abort-req報文(Abort-req報文發(fā)送后立即就切斷連接，無須等待對方響應(yīng))或Release-req報文(需等待對方回送Release-resp報文后，才能切斷連接)給接口管理單元取消連接；如果GDLP發(fā)送Release-req報文4 s內(nèi)都沒有收到接口管理回傳的Release-resp報文，就直接發(fā)送Abort-req，立即切斷與接口管理的連接；接口管理將不再接收來自GDLP的所有數(shù)據(jù)并且將對所有GDLP的數(shù)據(jù)進行復(fù)位處理。

(2)數(shù)據(jù)廣播服務(wù)管理

當(dāng)有上行廣播需要發(fā)送時，GDLP向接口管理發(fā)出Uplink-broadcast報文或取消某個上行廣播Cancel-uplink-broadcast報文時，對于上行廣播報文，如果有相同的廣播號存在，接口管理進行拒絕；否則發(fā)送接收回復(fù)，并在相同S模式地址的廣播號寫給控制單元對該地址目標(biāo)進行廣播；對于取消某個上行廣播服務(wù)時，如果廣播號指定錯誤或當(dāng)前沒有可以取消的廣播，接口管理將拒絕取消，否則接收廣播號被正常取消，同時在提前兩個扇區(qū)時通知控制單元對該直該地址的該廣播號取消廣播。

(3)地面發(fā)起通信B(GICB)服務(wù)管理

當(dāng)有GICB需求時，GDLP向接口管理發(fā)出GICB-extraction報文，對于重復(fù)的請求，詢問機應(yīng)該拒絕它；否則接口管理將該目標(biāo)地址的GICB號以及GICB信息進行存取，對于同一個目標(biāo)，最多存取10個GICB號；否則以FIFO方式進行存取，同時在提前兩個扇區(qū)時，將每組GICB信息的BDS碼寫給控制單元進行選址詢問，并在成功提取到應(yīng)答處理單元送來的BDS碼時，還應(yīng)向GDLP發(fā)送GICB提取數(shù)據(jù)回傳報文GICB-response，以指明應(yīng)答機的BDS寄存器中的數(shù)據(jù)提取被成功完成。當(dāng)需要取消某個GICB服務(wù)時，如果GICB號指定錯誤或當(dāng)前沒有可以取消的GICB服務(wù)時，接口管理單元將拒絕取消；否則該GICB號被正常取消，同時將對保存的該GICB數(shù)據(jù)進行清除處理。

(4)空對地下行數(shù)據(jù)鏈流程管理

機載數(shù)據(jù)鏈處理器(ADLP)在接收到來自地面數(shù)據(jù)鏈處理器(GDLP)的S模式接收準(zhǔn)備就緒(RR)包后，地面數(shù)據(jù)鏈處理器(GDLP)負責(zé)從接收到的S模式呼叫請求包里提取地面地址(AG)以及移動地址(AM)字段，并將其重新格式化為相應(yīng)的ISO 8208呼叫請求包。它將地面地址(AG)以及移動地址(AM)插入ISO 8208呼叫請求包的地址擴展設(shè)備字段，而ISO 8208呼叫請求包是傳向地面S模式詢問機的接口管理；詢問機收到來自飛機的下行數(shù)據(jù)，用Downlink-packet報文發(fā)送每個下行包給GDLP。

(5)地對空上行數(shù)據(jù)鏈流程管理

當(dāng)有上行數(shù)據(jù)需要對某個飛機發(fā)送時，GDLP向詢問機的接口管理發(fā)出Uplink-packet報文，接口管理單元在該S模式地址的提前兩個扇區(qū)將上行數(shù)據(jù)鏈包送控制單元，控制單元控制詢問機進行上行鏈路詢問，機載數(shù)據(jù)鏈處理器(ADLP)將開始使用上行鏈路流量控制窗口緩沖器；當(dāng)需要取消某個上行數(shù)據(jù)鏈時，在進行取消上行數(shù)據(jù)鏈服務(wù)時，如果D-Packet-number號指定錯誤或當(dāng)前沒有可以取消的上行數(shù)據(jù)鏈服務(wù)，接口管理將會進行拒絕，否則將回送一個確認報文Uplink-packet-ack。

4 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計選用VxWorks操作系統(tǒng)，開發(fā)工具選用配套的Tornado II工具，編程語言為C語言。

4.1 軟件系統(tǒng)初始化

對系統(tǒng)初始化，主要包括對核心處理器PC104的中斷、雙網(wǎng)卡以及串口等的配置初始化；核心處理器PC104中斷配置由于其本身可直接供二次開發(fā)所用的中斷只有IRQ11，但是在系統(tǒng)中需要使用的中斷數(shù)量多于一個，系統(tǒng)中可通過更改核心處理器的BIOS釋放某些中斷，在本系統(tǒng)中釋放出了IRQ3、IRQ5和IRQ6共3個中斷(其中：中斷IRQ3為串口2對應(yīng)中斷，中斷IRQ5為LPT2對應(yīng)中斷，IRQ6為軟盤對應(yīng)中斷)。

雙網(wǎng)卡配置初始化主要完成在系統(tǒng)中兩個網(wǎng)卡的收發(fā)初始化配置，在過去核心處理器PC104的使用都是將其中一個網(wǎng)卡作為備份，在該系統(tǒng)中需要兩個網(wǎng)卡同時使用，經(jīng)過相關(guān)研究，如果兩個網(wǎng)卡同時使用必須保證兩個網(wǎng)卡的IP地址為不同的地址段，且兩個網(wǎng)卡物理地址也不一樣，在雙網(wǎng)卡配置中需要對有些內(nèi)容進行修改。

串口初始化主要通過對核心處理器PC104中使用的多串口芯片ST16C554進行寄存器配置，主要通過I/O層讀寫操作來完成功能的配置。

4.2 軟件功能流程

從物理界限上劃分，軟件可分為軟件初始化、網(wǎng)絡(luò)1數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)2數(shù)據(jù)處理和外部數(shù)據(jù)處理4部分；從功能上劃分，又可分為GPS數(shù)據(jù)處理模塊、普通模式(模式1、模式2、模式3/A、模式C以及交替模式)數(shù)據(jù)讀取處理模塊、S模式數(shù)據(jù)讀取處理模塊、航跡處理模塊、GDLP數(shù)據(jù)處理模塊、過正北數(shù)據(jù)復(fù)位處理模塊、過扇區(qū)數(shù)據(jù)處理模塊等。軟件組成框圖見圖6。

圖6 軟件組成框圖

5 結(jié)束語

本文針對S模式詢問機與航跡處理器和地面數(shù)據(jù)鏈處理器的通信需求，設(shè)計了S模式詢問機接口管理，主要完成跟詢問機及通信系統(tǒng)的通信及交互功能，通信過程復(fù)雜，處理參數(shù)多且煩瑣，實時處理能力強，4 s完成400～600批目標(biāo)點跡報告的生成和數(shù)據(jù)打包；軟件采用模塊化設(shè)計，具有很強的適應(yīng)性和靈活性。該模塊已經(jīng)在S模式詢問機上得到了很好的驗證，且可靠性高、可擴展性強，由于該S模式詢問機在國內(nèi)屬于首次研制，應(yīng)用前景非常好。

參考文獻：

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