基于IP技術對R&S200系列甚高頻遠程監控的改造

（民航湖南空管分局 湖南 410141）

R&S200系列甚高頻是我國上世紀90年代左右從德國引進的用于民航空管甚高頻通信的設備，由于制造時間較早，遠程監控只支持一對一的RS232 串口通信方式，該通信方式存在線路容易受干擾、不能進行有效的電氣隔離、容易受雷擊或雷電感應、組網復雜、接入設備復雜且成本高等缺點。本文針對該問題，提出了一種基于IP技術對該設備遠程監控傳輸進行改造的方案，實現了該設備通過IP方式進行高效、便捷、可靠的遠程監控。

1 系統方案

系統方案如1 圖系統結構框圖所示。左側的R&S200 VHF是R&S200系列的甚高頻發射機或接收機或收發一體機設備。GV201是R&S200系列甚高頻的本地集中監控設備，該設備通過RS422 總線和R&S200系列的VHF設備互聯，GV201 提供DB25 接口X14，該接口協議類型為RS232 帶硬件流控。右側是遠程監控RCMS，該遠程監控通過專用串口卡提供4 路（P1，P2，P3，P4）RS232 帶硬件流控協議的DB25 接口。GV201 一般安裝在VHF設備機房，而RCMS 則安裝在遠端的監控大廳，要想實現遠程監控，必須通過某種方式使得GV201的X14 接口和RCMS 進行通信，傳統的方式是GV201 通過PCM 接入設備提供的RS232 接口和RCMS 進行通信。隨著通信技術的發展和業務量的不斷擴大，PCM 通信的機房布線復雜、帶寬利用率低、終端不靈活、組網不便捷等缺點越來越突出，而IP網絡的低成本、大容量、靈活組網等優勢則逐漸體現出來。本文提出了一種基于IP技術對R&S200系列甚高頻遠程監控通信改造的方案，如圖1中的虛線框所示。通過開發一款針對該IP/串口協議轉換的裝置，在GV201 出來的X14 接口就把帶硬件流控的RS 232協議轉換成了IP協議，然后通過交換機（可以共享機房現有的交換機，從而節約成本，建議設置VLAN）走IP網絡和遠端進行互聯。在RCMS遠端則是相反的過程，首先把多個IP網絡通過交換機進行互聯，然后送至IP/串口協議轉換裝置，該裝置提供IP/串口之間的協議轉換，最終和RCMS的P1(P2、P3、P4 具體看RCMS的配置)進行通信。

圖1 系統結構框圖

2 硬件設計

在本方案中，IP/串口協議轉換裝置是專門針對R&S200系列甚高頻遠程監控協議轉換的裝置，所以需要進行硬件設計。在GV201端，該協議轉換裝置需考慮到設計的尺寸，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帶硬件流控的RS232協議轉換。方案采用上海樂鑫科技公司的型號為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，運算能力高達600MIPS，集成UART、以太網MAC接口、觸摸傳感器、A/D 轉換、D/A 轉換等外設。在本方案主要用到了SOC的UART 外設和ETH 外設。UART 外設用于和GV201和RCMS的RS232 進行連接，由于SOC的邏輯電平為LVCOMS，與V.24 RS232的邏輯電平不匹配，所以中間需要加HIN207 芯片進行電平轉換。ETH 外設用于IP網絡，該SOC內置了RMII 接口的MAC，所需還需加PHY 芯片和網絡變壓器等才能和外部IP設備進行通信，系統選用LAN8720 以太網模塊。系統的硬件結構框圖如圖2所示。圖2從左至右依次是：首先是標準DB25 接口，用于連接GV201 X14或者RCMS的P1-P4端口，走的是EIA RS-232協議；然后是電平轉換模塊，完成RS232 電平和LVCOMS 電平之間的邏輯電平轉換；其次是SOC 主控，負責UART和IP之間的協議轉換，以及其他的控制；最后是網絡模塊，通過RMII 總線協議，完成SOC的MAC和PHY之間的協議轉換和IP網絡收發。

圖2 系統硬件結構框圖

3 軟件設計

本系統方案中，設計的軟件是用于運行在SOC 芯片中，完成UART和IP協議之間的轉換和一些輔助功能。系統的軟件結構框圖如下圖3所示。系統搭載開源免費的FreeRTOS 實時操作系統，可以同時運行多個任務。軟件的功能模塊主要由系統參數管理、UART 管理、數據和流控管理、報文加密解密管理、通信協議管理、ETH IP管理6個模塊組成。系統參數管理主要是對參數表進行維護，包括參數查詢、修改、參數表的flash存儲等，可以通過串口或客戶端網頁進行參數的設置。UART 管理主要是管理UART 硬件模塊，可以通過設置波特率、數據位、起始位、停止位、奇偶校驗、流控方式、數據DMA 等寄存器，完成UART的硬件初始化，GV201 X14端口和RCMS P1-P4端口的參數一般為：波特率9600，無奇偶校驗、8 位數據位、1 位起始、1 位停止位。數據和流控管理主要是管理多個UART端口和多個IP端口之間的數據交互以及之間的流控控制。報文加密解密管理用于IP報文的加密和解密，為了提升系統的網絡安全性，對IP報文進行了AES加密，SOC 芯片支持AES硬件加密，可以快速地完成IP報文的加密和解密運算。通信協議管理主要是管理多個IP/串口協議轉換裝置之間的通信，系統支持1對1、1對n、n對1、n對n 通信，可以通過參數配置把指定的UART端口數據送到指定的UART端口。多個IP/串口協議轉換裝置之間可以選擇UDP 或TCP模式進行傳輸。ETH IP管理主要用于管理LAN8720網絡模塊，以及IP網絡的網絡事件，同時也完成SOC的WIFI 功能管理。

圖3 系統軟件結構框圖

4 結語

該方案具有多個優點： IP/串口協議轉換裝置體積小，直接安裝在GV201的X14 接口，外形美觀不占太大的空間；成本低，通過采用高性價比的國產SOC 物聯網芯片，極大減低硬件成本；組網方便，布線靈活。尤其是RCMS端，以前需要多根串口線從PCM設備連接至監控主機，現在只需一根網線即可；對報文進行AES加密，對比原來的直接PCM 通信，現有的通信方式更具網絡安全性。目前，該方案已經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 遠程監控信號不穩定、組網不靈活等問題，提升了設備的保障能力。