緱朋帥

摘 要：本文以STM32F413為核心，搭配音頻處理、信令匹配和人機(jī)交互等外圍電路構(gòu)建了測(cè)試盒的電路系統(tǒng)，在Keil開發(fā)環(huán)境下完成了測(cè)試盒的程序設(shè)計(jì)。經(jīng)驗(yàn)證，測(cè)試盒可用于E&M信令傳輸鏈路多項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試，性能良好。

關(guān)鍵詞：地空通信;E&M信令;STM32F413;W681310

中圖分類號(hào)：TN915.85文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）14-0036-03

Development of E&M Signaling Test Box for Civil Aviation

GOU Pengshuai

（Henan Branch of CCAC Central and Southern China Air Traffic Management Bureau，Zhengzhou Henan 450019）

Abstract： In this paper， STM32F413 was used as the core， and the circuit system of the test box was constructed with peripheral circuits such as audio processing， signaling matching， and human-computer interaction， the program design of the test box was completed in the Keil development environment. After verification， the test box can be used to test multiple indicators of the E&M signaling transmission link with good performance.

Keywords： ground-air communication;E&M signaling;STM32F413;W681310;

甚高頻地空通信系統(tǒng)是民航管制員與飛行員的主要通信手段，為區(qū)域、進(jìn)近與塔臺(tái)等管制單位和飛行機(jī)組之間提供語音通信服務(wù)，其通話質(zhì)量直接關(guān)系到飛行安全，因此及時(shí)可靠的地空通信是航空器飛行安全的基本保障之一。隨著國力發(fā)展，我國民航運(yùn)輸業(yè)也飛速前進(jìn)。高峰時(shí)期，鄭州新鄭國際機(jī)場(chǎng)單日起降航班已突破700架次。為了應(yīng)對(duì)飛速發(fā)展的航空業(yè)務(wù)需求，保障管制員與飛行員之間具有高質(zhì)量的通話，中國民用航空局空中交通管理局建設(shè)了大量的甚高頻（VHF）通信臺(tái)，目前由中國民用航空中南地區(qū)空中交通管理局河南分局保障的VHF信道已超過100條。

為了保證甚高頻通信系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，設(shè)備保障部門需要對(duì)其進(jìn)行定期維護(hù)。一方面，裝備的甚高頻電臺(tái)數(shù)量快速增加，另一方面，管制單位迫切要求提高地空通信質(zhì)量，因此設(shè)備保障部門承擔(dān)了極大的壓力。為了提高甚高頻電臺(tái)維護(hù)效率，改善地空通信服務(wù)質(zhì)量，滿足我國空管設(shè)備保障業(yè)務(wù)的使用及發(fā)展需求，人們需要借助先進(jìn)的技術(shù)手段來提高保障效率。本文設(shè)計(jì)了一種用于對(duì)E&M信令傳輸鏈路各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試的E&M信令測(cè)試盒。在地空通信中斷的應(yīng)急保障或定期維護(hù)過程中，利用測(cè)試盒能夠節(jié)省大量的時(shí)間，對(duì)保障地空通信安全具有重要的意義。

1 E&M信令應(yīng)用情況

內(nèi)話系統(tǒng)與傳輸設(shè)備之間及傳輸設(shè)備與甚高頻收發(fā)電臺(tái)之間多采用E&M V類信令進(jìn)行語音信號(hào)傳輸[1-2]，線序如表1所示。

在V類信令中，信號(hào)和信令由不同通道傳輸。E線和M線是信令控制線，其中，E線為信號(hào)接收控制線，M線為信號(hào)發(fā)送控制線。信號(hào)發(fā)送和接收也由不同路徑傳輸，發(fā)送時(shí)使用T、R線對(duì)將語音信號(hào)發(fā)送至電臺(tái)發(fā)射機(jī);接收時(shí)使用T1、R1線對(duì)接收來自電臺(tái)接收機(jī)的語音信號(hào)。

2 設(shè)計(jì)需求

對(duì)VHF信令傳輸系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)及調(diào)試或?qū)收舷到y(tǒng)進(jìn)行排故時(shí)，需要測(cè)試管制中心與VHF臺(tái)之間E&M信令通斷情況，因此設(shè)計(jì)一種E&M信令測(cè)試設(shè)備用于對(duì)E&M信令傳輸系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試很有必要。本文設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式技術(shù)的E&M信令測(cè)試盒，測(cè)試盒能夠模擬出E&M信令，可用于鏈路通斷測(cè)試、信令觸發(fā)效果測(cè)試、鏈路延遲測(cè)試和傳輸鏈路信號(hào)質(zhì)量測(cè)試等。

3 硬件設(shè)計(jì)

由以上分析可知，E&M信令接口是一種模擬接口，V類信令接口包括發(fā)語音信號(hào)收和發(fā)以及控制信號(hào)收和發(fā)四種。信令起控方式普遍采用接地觸發(fā)[2]，語音信號(hào)采用平衡600 Ω的線路進(jìn)行傳輸。E&M信令測(cè)試盒硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，外圍搭配音頻編解碼及收發(fā)電路、信令匹配及光電隔離電路、人機(jī)接口及存儲(chǔ)電路。

E&M信令測(cè)試盒對(duì)鏈路的傳輸功能性能進(jìn)行測(cè)試時(shí)需要測(cè)試盒模擬出E&M信令并對(duì)傳輸鏈路各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試盒還應(yīng)具備顯控功能以及與上位機(jī)通信等功能。整個(gè)測(cè)試過程涉及數(shù)字音頻信號(hào)處理、信令電平匹配和USB通信等技術(shù)。綜合考慮設(shè)計(jì)需求，決定選用STM32F413單片機(jī)作為數(shù)字音頻信號(hào)處理和E&M信令收發(fā)轉(zhuǎn)換等的運(yùn)算及控制單元，采用W681310用于音頻信號(hào)的編解碼，采用TLP290和AQY212S構(gòu)建M和E信令電平轉(zhuǎn)換電路。

本文的測(cè)試盒基于嵌入式思想設(shè)計(jì)，故選用合適的MCU尤為重要。測(cè)試盒對(duì)E&M傳輸鏈路進(jìn)行測(cè)試時(shí)需要快速處理大量的數(shù)字音頻信號(hào)，因此要求該MCU運(yùn)算速度要快。另外，為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，MCU必須既能夠采集按鍵或鍵盤輸入的指令而執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)，也必須能夠接收上位機(jī)通過USB接口送過來的指令或數(shù)據(jù)，該功能的實(shí)現(xiàn)要求MCU必須具備豐富的接口資源。綜合考慮這些需求，決定采用STM32F413作為信號(hào)處理、信令模擬以及與上位機(jī)通信的控制核心。STM32F413是基于Cortex M4的微控制器，具備數(shù)字信號(hào)協(xié)處理器，具有較高的運(yùn)算速度，滿足快速進(jìn)行數(shù)字音頻信號(hào)處理的需求。利用其豐富的接口資源，可以方便構(gòu)建測(cè)試盒的人機(jī)交互以及與上位機(jī)通信等電路。STM32F413的串行音頻接口（SAI）可以與各種音頻編解碼芯片互聯(lián)，利用該特點(diǎn)容易搭建性能良好的音頻電路。

E&M信令中包含音頻信號(hào)和電平觸發(fā)信號(hào)。為了模擬出完整的E&M信令，測(cè)試盒還必須具備語音信號(hào)收發(fā)功能。本文采用W681310作為音頻信號(hào)編解碼以及A/D、D/A轉(zhuǎn)換芯片。W681310支持u律和A律編碼，符合ITU G.711和G.712標(biāo)準(zhǔn)，也兼容民航相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。W681310片上集成功率放大器，可以驅(qū)動(dòng)300 Ω的負(fù)載，不需要其他功放芯片即可實(shí)現(xiàn)平衡600 Ω線路傳輸，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)[3]。W681310數(shù)據(jù)傳輸支持PCM同步通信，可以與STM32F413的SAI接口互聯(lián)搭建性能良好的音頻電路。

由于測(cè)試盒電路系統(tǒng)采用3.3 V電平設(shè)計(jì)，為了兼容外部不同信令電平，且隔離外部尖峰電壓，保護(hù)電路系統(tǒng)不受損壞，人們需要設(shè)計(jì)隔離電路，通過隔離電路進(jìn)行M信令的發(fā)送以及E信令的接收。

隔離電路如圖2所示，芯片TLP290將外部系統(tǒng)的M信令轉(zhuǎn)換為3.3 V邏輯電平，STM32F405RG通過外部中斷功能檢測(cè)節(jié)點(diǎn)SQ_SAMPLE的邊沿信號(hào)作為測(cè)試盒收到的E信令。芯片AQY212S將來自STM32F405RG的觸發(fā)信號(hào)PTT_TRIGGER轉(zhuǎn)換為測(cè)試盒發(fā)送的M信令。

4 軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)在Keil集成開發(fā)環(huán)境下完成。程序主要包括MCU及外圍器件初始化、測(cè)試盒自檢以及對(duì)被測(cè)單元測(cè)試等幾部分，程序流程如圖3所示。

測(cè)試盒上電后，MCU會(huì)執(zhí)行初始化程序。首先，STM32F413初始化鎖相環(huán)并確定主時(shí)鐘頻率，然后初始化SPI、SAI以及USB等通信接口以及其他外設(shè)，使其處于適用狀態(tài)。MCU自身初始化完成后，STM32F413通過SAI、SDIO以及SPI等外部接口對(duì)外圍器件W681310、SD卡以及LCD液晶執(zhí)行初始化操作。為了防止因測(cè)試盒自身故障或狀態(tài)異常影響測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性，所以初始化程序完成后STM32F413會(huì)執(zhí)行自檢程序。自檢程序?qū)y(cè)試盒的狀態(tài)進(jìn)行全面自檢，使測(cè)試盒處于可靠的工作狀態(tài)。通過自檢后，測(cè)試盒處于等待接收指令狀態(tài)。操作員可以使用按鍵給測(cè)試盒輸入下一步執(zhí)行何種操作的指令，還可以通過上位機(jī)從USB口給測(cè)試盒下發(fā)指令或其他測(cè)試數(shù)據(jù)。測(cè)試盒根據(jù)收到的不同指令將會(huì)驅(qū)使被測(cè)單元執(zhí)行M信令，觸發(fā)效果測(cè)試、E&M信令鏈路通斷測(cè)試、E&M信令鏈路延遲測(cè)試或鏈路傳輸質(zhì)量測(cè)試。測(cè)試結(jié)果既會(huì)實(shí)時(shí)顯示在測(cè)試盒的液晶屏上，還會(huì)被存儲(chǔ)于SD卡中。操作員可以通過按鍵操作查看或?qū)С鯯D卡中存儲(chǔ)的歷史測(cè)試檔案。

5 測(cè)試盒功能驗(yàn)證

本文設(shè)計(jì)了多種應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)測(cè)試盒的功能做了驗(yàn)證。此處舉一例說明，驗(yàn)證示意圖如圖4所示。

測(cè)試盒1通過E&M線纜接入近端E&M配線架，測(cè)試盒2接入遠(yuǎn)端E&M配線架。近端和遠(yuǎn)端音頻配線架通過傳輸設(shè)備之間的光纜進(jìn)行通信。當(dāng)進(jìn)行鏈路延遲測(cè)試時(shí)，設(shè)置測(cè)試盒1和測(cè)試盒2為主機(jī)或從機(jī)不同模式。主機(jī)發(fā)送一個(gè)測(cè)試信號(hào)，從機(jī)收到該信號(hào)后立即返回一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。根據(jù)主機(jī)測(cè)量發(fā)送信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)之間的時(shí)間差，人們即可計(jì)算出信號(hào)在鏈路中傳輸?shù)耐笛舆t。同樣，通過類似方式，還可以對(duì)E&M信令觸發(fā)效果、E&M信令鏈路通斷和傳輸鏈路信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于STM32F413和W681310的E&M信令測(cè)試盒，測(cè)試盒采用嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低的特點(diǎn)。本文對(duì)測(cè)試盒的語音收發(fā)轉(zhuǎn)換電路以及E&M信令接口匹配電路設(shè)計(jì)方法做了詳細(xì)說明。測(cè)試盒能夠模擬出標(biāo)準(zhǔn)的E&M信令，可用于E&M信令觸發(fā)效果測(cè)試、傳輸鏈路延遲測(cè)試、傳輸鏈路通斷測(cè)試和傳輸鏈路信號(hào)質(zhì)量測(cè)試等。測(cè)試盒能夠幫助設(shè)備保障部門快速對(duì)傳輸鏈路進(jìn)行維護(hù)及調(diào)試，快速對(duì)通信故障進(jìn)行排查與診斷，這些應(yīng)用對(duì)提高甚高頻地空通信系統(tǒng)應(yīng)急保障或維護(hù)效率以及改善地空通信服務(wù)質(zhì)量有重要的意義。

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