張磊，陳齊亞，黎巍，王歡

（中國(guó)民用航空西北地區(qū)空中交通管理局，西安710082）

基于基帶Modem的報(bào)文收發(fā)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張磊，陳齊亞，黎巍，王歡

（中國(guó)民用航空西北地區(qū)空中交通管理局，西安710082）

引入基帶Modem作為民航氣象報(bào)文數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，給出單用戶的網(wǎng)絡(luò)連接結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合串口服務(wù)器擴(kuò)展AFTN線路用戶使用范圍。基于.NET平臺(tái)，針對(duì)兩種不同的網(wǎng)絡(luò)連接結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)民航氣象報(bào)文接收發(fā)送軟件。該軟件可以靈活配置，分別以串口或者網(wǎng)口的方式完成民航氣象報(bào)文穩(wěn)定和準(zhǔn)確的傳輸。

基帶Modem；串口服務(wù)器；收發(fā)報(bào)軟件；串口通信；網(wǎng)絡(luò)通信

0　引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)及西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，我國(guó)西北民航運(yùn)輸業(yè)也得到快速發(fā)展。作為民航空中交通管理系統(tǒng)的重要組成部分，航空氣象保障能力是保障航空運(yùn)輸安全和正常飛行的重要基礎(chǔ)之一。民航氣象報(bào)文作為民航氣象資料中的重要組成部分，報(bào)文內(nèi)容發(fā)布的及時(shí)性、準(zhǔn)確性，以及報(bào)文發(fā)布方式的穩(wěn)定性對(duì)于民航氣象保障顯得格外重要。

1　民航西北地區(qū)氣象中心報(bào)文收發(fā)方式概況

由于民航報(bào)文傳輸需要通過(guò)轉(zhuǎn)報(bào)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)報(bào)機(jī)在航空固定電信網(wǎng)(Aeronautical Fixed Telecommunication Network)[1]上進(jìn)行傳輸，因此報(bào)文的接收與發(fā)送必須轉(zhuǎn)換成RS-232串口數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)。目前，民航西北地區(qū)氣象中心在實(shí)際業(yè)務(wù)中用于向局域網(wǎng)用戶提供民航氣象報(bào)文數(shù)據(jù)來(lái)源的ZLXYYWYX和向觀測(cè)員發(fā)送趨勢(shì)預(yù)報(bào)的ZLXYYAYX兩條AFTN線路是使用如圖1所示的電流環(huán)轉(zhuǎn)換器接入轉(zhuǎn)報(bào)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)報(bào)機(jī)，從而完成報(bào)文的接收與發(fā)送工作。電流環(huán)轉(zhuǎn)換器可以完成RS-232串口信號(hào)與20mA電信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，從而解決RS-232串口信號(hào)傳輸距離限制在15米以內(nèi)的距離問(wèn)題。通過(guò)接入電流環(huán)轉(zhuǎn)換器，RS-232串口信號(hào)的傳輸距離可以延長(zhǎng)至1000米左右。

圖1　電流環(huán)轉(zhuǎn)換器

但是，由于目前使用的電流環(huán)轉(zhuǎn)換器使用年限較長(zhǎng)，設(shè)備已經(jīng)老化，因此存在報(bào)文傳輸穩(wěn)定性較低等安全隱患。另外，由于電流環(huán)轉(zhuǎn)換器屬于專用設(shè)備，目前正在被新一代網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備所逐步取代，因此市面上已經(jīng)采購(gòu)不到現(xiàn)有業(yè)務(wù)中使用的電流環(huán)轉(zhuǎn)換器。

為了杜絕安全隱患，提高民航氣象報(bào)文傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，以及傳輸設(shè)備的通用性，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于基帶Modem的報(bào)文接收發(fā)送軟件。

2　民航氣象報(bào)文接收發(fā)送軟件

2.1基帶Modem簡(jiǎn)介

基帶Modem是一種采用基帶傳輸，用于完成數(shù)字信號(hào)可靠、穩(wěn)定傳輸?shù)耐ㄐ旁O(shè)備。區(qū)別于頻帶傳輸，基帶傳輸是指在通信電纜上原封不動(dòng)地傳輸由計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)通信終端產(chǎn)生的數(shù)字脈沖信號(hào)，它是一種十分重要的數(shù)據(jù)傳輸方式?；鶐odem的功能則是通過(guò)形成適當(dāng)?shù)牟ㄐ?，使?shù)字信號(hào)在帶寬受限的傳輸介質(zhì)上傳輸時(shí)，不會(huì)由于波形迭起而產(chǎn)生碼間干擾[2]。因此，相對(duì)于可以完成模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的普通Modem，基帶Modem是一種用在數(shù)字線路中，可以完成數(shù)字信號(hào)到數(shù)字信號(hào)高性能傳輸?shù)耐ㄐ旁O(shè)備。通過(guò)采用基帶Modem，信號(hào)的傳輸距離可以達(dá)到2000米左右，因此，它被廣泛應(yīng)用于樓宇間、校園內(nèi)，以及城市內(nèi)部的數(shù)字信號(hào)傳輸。

2.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

為了解決現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)中由于設(shè)備老化落后帶來(lái)的潛在隱患，本文采用臺(tái)聯(lián)電訊設(shè)備有限公司型號(hào)為TAINET T-336Cx的基帶Modem替換現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的電流環(huán)轉(zhuǎn)換盒作為報(bào)文接收發(fā)送終端與轉(zhuǎn)報(bào)機(jī)之間的信號(hào)傳輸設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)民航氣象報(bào)文穩(wěn)定、準(zhǔn)確的傳輸。由于基帶Modem只能完成端到端的數(shù)字信號(hào)高性能傳輸，因此，在一條AFTN線路上采用基帶Modem只能實(shí)現(xiàn)一臺(tái)報(bào)文接收發(fā)送終端與轉(zhuǎn)報(bào)機(jī)之間的互聯(lián)通訊。為了擴(kuò)展這種點(diǎn)到點(diǎn)的應(yīng)用為點(diǎn)到面的應(yīng)用，即在一條AFTN線路上可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多臺(tái)報(bào)文接收發(fā)送終端與轉(zhuǎn)報(bào)機(jī)之間的報(bào)文傳輸，本文采用串口服務(wù)器給出了一種多臺(tái)報(bào)文接收發(fā)送終端同時(shí)與轉(zhuǎn)報(bào)機(jī)互聯(lián)通信的設(shè)計(jì)方案。

（1）一臺(tái)報(bào)文接收發(fā)送終端與轉(zhuǎn)報(bào)機(jī)互聯(lián)

TAINET T-336Cx基帶Modem是一種高性能，能實(shí)現(xiàn)同步/異步，全雙工/半雙工，可工作于撥號(hào)式線路及兩線/四線式專線電路的多功能型Modem[3]。本文采用如圖2所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一臺(tái)報(bào)文接收發(fā)送終端與轉(zhuǎn)報(bào)機(jī)之間的報(bào)文傳輸。

圖2　一臺(tái)報(bào)文接收發(fā)送終端與轉(zhuǎn)報(bào)機(jī)互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

其中，為了保證報(bào)文傳輸線路的穩(wěn)定性，以及報(bào)文傳輸內(nèi)容的準(zhǔn)確性，本文采用兩線式的專線電路對(duì)兩個(gè)基帶Modem進(jìn)行連接。基帶Modem的具體配置參數(shù)如下表所示：

表1　 TAINET T-336Cx基帶Modem參數(shù)設(shè)置

（2）多臺(tái)報(bào)文接收發(fā)送終端與轉(zhuǎn)報(bào)機(jī)互聯(lián)

串口服務(wù)器是一種通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器，它能夠自動(dòng)將RS-232/485/422串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可以在通用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上傳輸?shù)腡CP/IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)RS-232/485/422串口與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)雙向透明傳輸[4-5]。串口服務(wù)器在硬件結(jié)構(gòu)上一般具備兩類接口：一類是標(biāo)準(zhǔn)的RS-232/485/422串行接口；另一類是可以接入局域網(wǎng)的以太網(wǎng)口。經(jīng)過(guò)內(nèi)部的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，串口服務(wù)器可以實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)流和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的相互轉(zhuǎn)化，從而將一個(gè)單獨(dú)的串口設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)上其他設(shè)備所共享的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，大大擴(kuò)展了串口設(shè)備的使用范圍。

本文采用MOXA科技股份有限公司型號(hào)為Nport 5110的串口服務(wù)器搭建了如圖3所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)報(bào)文接收發(fā)送終端同時(shí)與轉(zhuǎn)報(bào)機(jī)互聯(lián)通信的目的，從而擴(kuò)展了每條AFTN線路的使用范圍，并提高了使用效率。

圖3　多臺(tái)報(bào)文接收發(fā)送終端與轉(zhuǎn)報(bào)機(jī)互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

如圖3所示，接收民航氣象報(bào)文時(shí)，來(lái)自轉(zhuǎn)報(bào)機(jī)的報(bào)文首先經(jīng)過(guò)基帶Modem傳輸，緩存在串口服務(wù)器中；然后報(bào)文接收發(fā)送終端向串口服務(wù)器發(fā)送Socket鏈接請(qǐng)求，建立Socket網(wǎng)絡(luò)傳輸通道；最后報(bào)文經(jīng)過(guò)交換機(jī)、路由器等網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備，以TCP/IP數(shù)據(jù)包的形式到達(dá)用戶的接收終端。報(bào)文發(fā)送過(guò)程與報(bào)文接收過(guò)程相反，在此不再贅述。（Nport 5110串口服務(wù)器的具體配置信息如圖4所示）

圖4　 Nport 5110串口服務(wù)器參數(shù)設(shè)置

2.3軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了達(dá)到用戶界面友好和程序?qū)崿F(xiàn)高效的目的，本文基于.NET 4.5平臺(tái)，采用C#作為程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了民航氣象報(bào)文接收發(fā)送軟件。

針對(duì)如圖2所示的一臺(tái)報(bào)文接收發(fā)送終端與轉(zhuǎn)報(bào)機(jī)互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由于報(bào)文接收發(fā)送終端直接與基帶Modem通過(guò)RS-232串口的方式相連，因此軟件需要具備串口通信的能力；對(duì)于如圖3所示的多臺(tái)報(bào)文接收發(fā)送終端與轉(zhuǎn)報(bào)機(jī)互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由于報(bào)文接收發(fā)送終端是通過(guò)以太網(wǎng)與串口服務(wù)器直接通信，因此為了同時(shí)適應(yīng)兩種不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，本文開(kāi)發(fā)的軟件還需要同時(shí)具備基于Socket連接的網(wǎng)絡(luò)通信能力。

（1）串口通信

RS-232通信串口由于其良好的通用性和標(biāo)準(zhǔn)性，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和工業(yè)控制領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。從.NET 2.0開(kāi)始，微軟就將所有串口操作封裝到了Serial-Port類里，以簡(jiǎn)化與串口相關(guān)的程序設(shè)計(jì)。

采用SerialPort類的對(duì)象進(jìn)行串口通信時(shí)，需要通信雙方執(zhí)行共同的協(xié)議，即通信雙方設(shè)置的串口參數(shù)相同。串口參數(shù)包括波特率，校驗(yàn)方式，數(shù)據(jù)位和停止位。同時(shí)，SerialPort類支持四種事件：DataReceived事件、Disposed事件、ErrorReceived事件和PinChanged事件。其中，DataReceived事件是SerialPort類的數(shù)據(jù)接收事件，每當(dāng)串口接收到新數(shù)據(jù)時(shí)，便會(huì)觸發(fā)該事件的響應(yīng)以完成數(shù)據(jù)接收操作。圖5是本文打開(kāi)串口函數(shù)的部分代碼。

圖5　打開(kāi)串口函數(shù)代碼

（2）網(wǎng)絡(luò)通信

Socket又稱套接字，它為程序提供了與外界通信的端口。通過(guò)建立Socket連接，可為通信雙方的數(shù)據(jù)傳輸提供通道?；赟ocket的網(wǎng)絡(luò)通信，主要可以分為TCP通信模型和UDP通信模型。前者為網(wǎng)絡(luò)通信提供了一個(gè)面向連接、可靠的數(shù)據(jù)流傳輸服務(wù)，被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以無(wú)差錯(cuò)、無(wú)重復(fù)地發(fā)送，且按發(fā)送順序在接收端進(jìn)行接收；后者則提供了一個(gè)無(wú)連接的數(shù)據(jù)包傳輸服務(wù)，數(shù)據(jù)包以獨(dú)立的方式進(jìn)行發(fā)送，不提供任何質(zhì)量保證。

為了保證報(bào)文準(zhǔn)確無(wú)誤的快速傳輸，本文采用TCP通信模型。TCP通信模型一般采用客戶端/服務(wù)器模式，即有一個(gè)客戶端進(jìn)程和一個(gè)服務(wù)器進(jìn)程。服務(wù)器進(jìn)程一直處在等待監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，直到客戶端進(jìn)程主動(dòng)請(qǐng)求連接。當(dāng)服務(wù)器進(jìn)程收到客戶端進(jìn)程的Socket連接請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器進(jìn)程就響應(yīng)客戶端的請(qǐng)求，建立一個(gè)新的Socket，并返回給客戶端進(jìn)程，一旦客戶端確認(rèn)連接，則連接建立，然后就可在該Socket連接上進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[6]。如圖4所示，串口服務(wù)器被配置為TCP服務(wù)器模式，因此本文只需要實(shí)現(xiàn)客戶端代碼即可實(shí)現(xiàn)收發(fā)報(bào)軟件與串口服務(wù)器之間的通信。圖6是本文建立Socket連接函數(shù)的部分代碼。

圖6　建立Socket連接函數(shù)代碼

3　程序結(jié)果及測(cè)試

針對(duì)兩類不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，本文在統(tǒng)一框架下，采用C#程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)并實(shí)現(xiàn)了民航氣象報(bào)文接收發(fā)送軟件。該軟件可以根據(jù)實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通信要求，調(diào)整配置參數(shù)，采用串口方式或者Socket網(wǎng)絡(luò)通信方式進(jìn)行民航氣象報(bào)文的收發(fā)工作。圖7和圖8即為該軟件兩種通信方式的配置界面。

圖7　串口通信參數(shù)配置

圖8　網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)配置

圖9是在如圖3所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)環(huán)境下，采用Socket網(wǎng)絡(luò)通信方式進(jìn)行民航氣象報(bào)文接收時(shí)的軟件界面。

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的民航氣象報(bào)文接收發(fā)送軟件是否能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定、快速地進(jìn)行民航氣象報(bào)文的收發(fā)工作，本文采用黑盒測(cè)試的方法對(duì)該軟件進(jìn)行了功能測(cè)試，測(cè)試的重點(diǎn)包括：軟件能否正確的連接串口服務(wù)器，并對(duì)錯(cuò)誤信息進(jìn)行提示；軟件能否準(zhǔn)確、完整的接收所有民航氣象報(bào)文，并將接收到的報(bào)文顯示在軟件界面中，同時(shí)按日期分別存儲(chǔ)在不同的日志文件中；軟件能否成功的向轉(zhuǎn)報(bào)機(jī)發(fā)送格式正確的民航氣象請(qǐng)求報(bào)等。通過(guò)將實(shí)際運(yùn)行測(cè)試結(jié)果和實(shí)驗(yàn)預(yù)期測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的氣象報(bào)文收發(fā)軟件達(dá)到了預(yù)定的功能需求，可以替換現(xiàn)有業(yè)務(wù)中的電流環(huán)轉(zhuǎn)換盒進(jìn)行民航氣象報(bào)文的接收和發(fā)送工作。

圖9　民航氣象報(bào)文接收發(fā)送軟件界面

4　結(jié)語(yǔ)

為了杜絕由于電流環(huán)轉(zhuǎn)換盒設(shè)備老化等因素可能造成的安全隱患，提高民航氣象報(bào)文傳輸?shù)姆€(wěn)定性和準(zhǔn)確性，本文引入基帶Modem作為數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，給出了一種通過(guò)基帶Modem進(jìn)行報(bào)文收發(fā)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并采用C#語(yǔ)言基于串口通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了報(bào)文收發(fā)軟件。同時(shí)，為了擴(kuò)展AFTN線路的用戶使用范圍，本文在原有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合串口服務(wù)器給出了多用戶的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并在統(tǒng)一的程序框架下，基于網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了報(bào)文收發(fā)軟件。通過(guò)用戶對(duì)軟件進(jìn)行功能測(cè)試，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的民航氣象報(bào)文接收發(fā)送軟件達(dá)到了預(yù)定的功能需求，為民航飛行安全提供了有力保障。

[1]張強(qiáng),于潔.亞太地區(qū)航空氣象情報(bào)交換管理[J].中國(guó)民用航空，2015(6)：36-38.

[2]鄧翔宇.一種可實(shí)現(xiàn)數(shù)字基帶部分響應(yīng)系統(tǒng)的研究[J].信息技術(shù)，2005，29(6)：72-74.

[3]臺(tái)聯(lián)電訊設(shè)備有限公司.TAINET T-336Cx/Nx/NDx使用手冊(cè)[Z].北京，2011.

[4]王衛(wèi)峰,沈俊杰,蘇建良,江芳波,周濤.基于NPort串口服務(wù)器的座椅滑道裝配線監(jiān)控系統(tǒng)[J].機(jī)電工程，2010，27(10)：98-101.

[5]陳平,郝繼飛,周曉飛,趙健,寇立強(qiáng).基于串口服務(wù)器組網(wǎng)的自來(lái)水廠供水監(jiān)控系統(tǒng)[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，26 (2)：79-83.

[6]范勤學(xué).一種基于Socket的可配置通信工具[C].全國(guó)冶金自動(dòng)化信息網(wǎng)年會(huì)，2010.

Design and Implementation of the Civil Aviation Meteorological Message Transmission and Reception Software Based on Base Band Modem

ZHANG Lei，CHEN Qi-ya，LI Wei，WANG Huan
（Air Traffic Management Bureau of Northwest Regional of CAAC，Xi'an 710082）

Introduces base band modem to exchange civil aviation meteorological messages,designs a network structure allowing one user to send and receive messages,in order to expand the number of users,and gives another network structure based on the combination of serial device server.Uses the technique of serial communication and socket communication,designs and implements the civil aviation meteorological message transmission and reception software according to the two different network structures.Experiment shows that the software can stably and accurately transmit and receive civil aviation meteorological messages in the manner of serial communication and socket communication respectively.

Base Band Modem;Serial Device server;Message Transmission and Reception Software;Serial Communication;Socket Communication

1007-1423（2016）16-0039-05DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.16.012

張磊（1988-），男，寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)人，碩士研究生，助理工程師，研究方向?yàn)槊窈綒庀髷?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)維護(hù)與開(kāi)發(fā)

陳齊亞（1975-），男，陜西西安人，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)管理

黎巍（1974-），男，陜西西安人，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)管理

王歡（1989-），女，青海西寧人，碩士研究生，助理工程師，研究方向?yàn)槊窈綒庀髷?shù)值預(yù)報(bào)應(yīng)用

2016-03-29

2016-05-20