林加

（广州中南民航空管技术装备工程有限公司，广东 广州510000）

雷达接口设备与监视单元的设计与实现

林加

（广州中南民航空管技术装备工程有限公司，广东 广州510000）

随着民航的高速发展，自动化系统在空管行业中得到了广泛应用。雷达接口单元作为空管自动化系统中的雷达处理器的前端核心组成部分，应具备稳定性和可替代性。由于目前相关的进口设备面临老化且厂家已经不再生产同类型号产品，迫切需要研制雷达接口设备的替代品以保障民航空管安全。本文通过详细说明了FPGA的工作原理以及技术特点。利用在FPGA（Field-Programmable Gate Array）上实现HDLC协议，再通过逻辑编程，在FPGA芯片内实现8路高速HDLC接口，HDLC逻辑代码完全自主开发，彻底解决了对专用ASIC芯片的依赖。研制出可用于空管自动化的雷达接口设备和监视单元RISU-1000.成品目前已在多个现场投入使用，运行状况良好，较好地保障了空管安全。

雷达接口单元；HDLC；替代产品；飞行安全；自主研制

随着我国民航事业的高速发展，航班量逐年增加，空中飞行密度不断加大。目前，我国大部分的空中交通管制区域均已使用空管自动化系统实施对空指挥，自动化系统为管制员提供了更为准确、连续和丰富的目标信息，管制员对空管自动化的依赖性正与日俱增。

空中交通管制使用的自动化系统实际是多雷达信号融合及飞行计划自动相关系统，雷达接口单元是自动化系统的重要组成部分，肩负着引接多路雷达信号进入系统的责任。亦即，采用HDLC接口（同步HDLC协议具有稳定可靠、易于远程传输的特点）的多路雷达信号经由雷达接口设备汇聚，然后统一转换为TCP/IP协议，经以太网传送给自动化系统（如图1所示）。同时，雷达接口设备还需要能够对雷达信号的质量进行监视，给出必要的链路检测告警。

图1　自动化系统引接雷达信号示意图

在实际应用中，雷达信号接入单位基本采用进口设备，如PT公司的MPS800、MPS1000以及pLines等。此类设备基于一体化的嵌入式技术方案，可靠性、稳定性高。但进口设备不仅有价格昂贵、技术支持匮乏的缺点，有些还濒临停产或已经停产。而部分国内厂家给出的解决方案，由于核心开发能力的限制，一般采用系统集成的方式。比较常见的方式是采用工控机（或PC机）搭载数据接口卡的模式，其缺点是过于复杂、可靠性低、空间占用大。在后期维护方面，由于此类方案采用了非定制的接口卡，一旦接口卡的后续产品设计稍有变化，往往导致驱动或整套软件都需要重写。此外，由于工控机或PC机本身的可靠性、稳定性远远低于嵌入式设备，难以满足长期不间断运行的需要。

为了保障空中交通管制的正常运行，面对这种迫切的需求，需要自主研制出采用一体化嵌入式方案的雷达接口设备与监视单元，且应采用标准19英寸1U嵌入式低功耗无风扇设计，以方便在各现场的部署。

1　雷达接口设备的工作原理、技术特点以及解决方案

高级数据链路控制协议（High-level Data Link Control，HDLC）是一组用于在网络节点间传送数据的协议，是在数据链路层中广泛使用的一种协议。在HDLC协议中，数据分成一个个的单元（帧）通过网络进行传输，由接收方确认收到，由HDLC协议来管理数据流和数据发送的间隔时间。HDLC协议中每帧所传输的数据可以含有任意数量的比特位，而且帧的开始和结束是靠约定的比特模式（标志）来界定的，它是一种“面向比特”的协议［1］。

HDLC协议的实现是雷达接口单元的技术核心。HDLC协议多数情况下是基于专用集成电路（Application Specific Integrated Circuits，ASIC）芯片实现的，一般国外的雷达接口设备多采用集成了HDLC功能的CPU，如使用PowerPC系列CPU，该系列早期的CPU就能够提供多路HDLC支持，是一个比较好的一体化嵌入式实现方式。或者，也可以采用HDLC专用通信芯片，使用工控机或者PC机搭载HDLC板卡进行协议转换。

然而，由于宽带网的飞速发展，HDLC的应用领域逐渐收缩至特有的行业，不论是带HDLC功能的CPU，还是HDLC专用通信芯片，基本进入停产的阶段。缺乏可持续供应的成熟的HDLC芯片支持，是雷达接口与监视单元研制的主要难点。

空管行业的设备应用模式，决定了产品需要有很长的生命周期。产品一般须有10年以上的供货保障，才能满足空管系统的技术保障要求，而ASIC解决方案无法满足该要求。因此，在设计解决方案上必须放弃ASIC，转而采用现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）来实现HDLC协议。通过逻辑编程，可在一片FPGA芯片内实现8路高速HDLC接口，HDLC逻辑代码完全自主开发，以彻底摆脱对专用ASIC芯片的依赖。以RISU-1000作为设计出的雷达接口设备的名称。

2　雷达接口设备的系统设计

2.1系统组成

根据雷达接口设备的工作原理，设计的雷达接口设备RISU-1000主要是利用FPGA（Field－Programmable Gate Array）来实现HDLC协议。通过逻辑编程，在一片FPGA芯片内实现8路高速HDLC接口。设备主要由CPU子系统、以太网单元和HDLC单元三个部分组成。CPU子系统是基于ARM高性能CPU的核心处理单元，以太网单元是百兆全线速以太网交换单元，HDLC单元是以FPGA为核心的HDLC通信单元。其中，雷达处理器通过以太网上载雷达信号解码程序至RISU-1000的Flash中，通过CPU进行编译后输送至内置的SDRAM，加电后的FPGA芯片从SDRAM中读取已编程数据，随后FPGA进入工作状态，实现HDLC协议［3］。系统组成结构如图2所示。

图2　采用FPGA的雷达接口设备组成结构图

2.2CPU子系统

CPU子系统是RISU-1000的核心，由三部分组成：

CPU：ARM7TDMI；

内存：16MB SDRAM；

固态盘：8MB FLASH.

2.3以太网单元

以太网单元提供全线速百兆以太网交换功能，一个端口连通CPU，对外提供4个百兆自适应以太网端口。核心交换规格如下：

（1）内置SRAM用于以太网帧的存储转发；

（2）非阻塞全线速收发；

（3）全面支持全双工、半双工流控；

（4）单芯片1024个直接映射查找表；

（5）全兼容IEEE 802.3/802.3u协议；

（6）支持线序自动检测和反转。

2.4HDLC单元

2.4.1组成

（1）FPGA：实现HDLC协议；

（2）接口电路：实现RS232或RS422标准的物理层驱动。

FPGA具有容量大、易编程的特点。采用FPGA实现HDLC协议，解决了对专用ASIC芯片的依赖。而且，通过在一片FPGA里同时实现8路HDLC，有效提高了系统的集成度和可靠性，降低了功耗。

2.4.2HDLC协议实现

HDLC协议为面向比特的数据链路层协议，基于帧为单位同步传输数据。图3为HDLC帧结构，包括其标准码（01111110）、地址域、控制域、数据和FCS域。

图3　HDLC的帧结构

每个帧前、后均有一标志码01111110，用作帧的起始、终止指示及帧的同步。标志码不允许在帧的内部出现，以免引起歧义。为保证标志码的唯一性但又兼顾帧内数据的透明性，发送端如果连续5个“1”出现时，便在其后插入一个“0”。在接收端，如果连续收5个“1”后面收到一个“0”，则自动删除它，以恢复原来的比特流。如果出现连续6个“1”，则表示收到了标志码。

为了使协议更加灵活，HDLC帧的地址域、控制域和数据部分，由上层CPU处理。HDLC帧前后标志码、CRC计算和校验、插“0”和删“0”操作由FPGA实现。

HDLC的FPGA逻辑实现框图如图4所示，每一路包括接收、发送两部分。Backend侧是和CPU的接口，通过CPU的局部总线，以DMA的方式进行数据交互［2］。

图4　HDLC的FPGA逻辑实现框图

2.5通信模型

通信模型如图5所示，接口设备转发模块实现了跨层面的透传：

图5　通信模型

HDLC：HDLC协议数据，属于数据链路层，数据以帧的形式进入转发模块；

UDP报文：无可靠性保证的传输层，以报文的形式进入转发模块；

TCP数据：有可靠保证的传输层数据，以流的方式存在。

3　雷达接口设备在自动化系统中的应用

经过程序编程，板件的组装完成之后，还需要接入自动化系统进行测试，测试包括三个部分：

（1）网络功能测试，连接测试平台的PC机，设置好网络地址，进行连接，设置完毕将接口单元接入自动化测试平台，检验成功为雷达处理器与接口单元握手成功。

（2）串口信号引接测试，引入8路不同的雷达信号，通过自动化设备的雷达配置功能进行配置，利用自动化系统的数据包检测功能查看数据传输的质量。

（3）可靠性测试，连续30天不间断的24小时测试，期间雷达处理器信号不能中断。

本文所研制的雷达接口单元已在民航三亚航管站、民航珠海进近管制中心以及民航桂林空管站使用。

4　结束语

随着计算机及Internet的普及应用，高速、可靠和透明的数据通信日益重要。HDLC协议由于其高速性，透明性等特点，成为数据传输协议中的佼佼者。但由于HDLC标准的文本较多，对HDLC的CRC序列生成多项式等有不同的规定，传统的应用HDLC协议的ASIC芯片出于专用性的目的难以通用于不同版本。同时，现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArray，FPGA）芯片的规模越来越大，还具有设计开发周期短、设计制造成本低、可实时在线检验等优点，因此被广泛用于特殊芯片设计中。

FPGA采用硬件技术处理信号，又可以通过软件反复编程使用，能够兼顾速度和灵活性。因此，FPGA芯片虽然成本略微高于ASIC芯片，但在中小批量通信产品的设计生产中，将HDLC协议应用在FPGA芯片上具有广泛的前景。

设计的雷达接口设备接口采用ARM+FPGA构架，直接的优点是高集成度、低功耗，整机可以采用无风扇设计，从而抛弃了高故障的风扇单元，提高了整机的无故障运行时间。

FPGA的可编程特性，除了一举解决专用芯片停产带来的保障隐患外，更可以在该平台上增加更多的特性，如格式转换、数据监控等功能，更好的服务空管系统。

［1］张必英.基于FPGA的HDLC协议控制器的设计［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2005：63-65.

［2］宋飞，李志蜀.HDLC协议在FPGA通信系统中的实现［J］.计算机应用，2009，29（04）：1092-1094.

［3］李仲令.编码理论和应用［M］.成都:电子科技大学出版社，1989：109-112.

Design and Implementation of Radar Interface Unit and Radar Monitoring Unit

LIN jia
（Civil Aviation Air Traffic Control Technology Equipment Project Ltd.，Guangzhou Guangdong 510000，China）

Withthe rapid development of civil air traffic control management，comprehensive use of automated air traffic control，the radar interface unit is a front-end interface unit as a core component of the radar data processor，we need reliable and irreplaceable，because faced with aging and imported equipment manufacturers no longer produce the same types of products an urgent need to develop alternatives to radar interface device to protect civil aviation flight safety tube.In this paper，the working principle and technical characteristics of FPGA are explained in detail.We use FPGA Implementation of HDLC protocol，implementation of the 8 channel high speed HDLC interface in FPGA chip，and the logic code was independent develop，completely solve the dependence on the dedicated ASIC chip.The finished product has been used in several field，running in good condition，good to protect the safety of air traffic.

radar interface unit；HDLC；alternative products；flight safety；autonomous development

TN91

A

1672-545X（2016）07-0160-04

2016-04-04

林加（1975-），男，广东广州人，本科，工程师，研究方向：空管设备维护维修。