基于IP技术对R&S200系列甚高频远程监控的改造

（民航湖南空管分局 湖南 410141）

R&S200系列甚高频是我国上世纪90年代左右从德国引进的用于民航空管甚高频通信的设备，由于制造时间较早，远程监控只支持一对一的RS232 串口通信方式，该通信方式存在线路容易受干扰、不能进行有效的电气隔离、容易受雷击或雷电感应、组网复杂、接入设备复杂且成本高等缺点。本文针对该问题，提出了一种基于IP技术对该设备远程监控传输进行改造的方案，实现了该设备通过IP方式进行高效、便捷、可靠的远程监控。

1 系统方案

系统方案如1 图系统结构框图所示。左侧的R&S200 VHF是R&S200系列的甚高频发射机或接收机或收发一体机设备。GV201是R&S200系列甚高频的本地集中监控设备，该设备通过RS422 总线和R&S200系列的VHF设备互联，GV201 提供DB25 接口X14，该接口协议类型为RS232 带硬件流控。右侧是远程监控RCMS，该远程监控通过专用串口卡提供4 路（P1，P2，P3，P4）RS232 带硬件流控协议的DB25 接口。GV201 一般安装在VHF设备机房，而RCMS 则安装在远端的监控大厅，要想实现远程监控，必须通过某种方式使得GV201的X14 接口和RCMS 进行通信，传统的方式是GV201 通过PCM 接入设备提供的RS232 接口和RCMS 进行通信。随着通信技术的发展和业务量的不断扩大，PCM 通信的机房布线复杂、带宽利用率低、终端不灵活、组网不便捷等缺点越来越突出，而IP网络的低成本、大容量、灵活组网等优势则逐渐体现出来。本文提出了一种基于IP技术对R&S200系列甚高频远程监控通信改造的方案，如图1中的虚线框所示。通过开发一款针对该IP/串口协议转换的装置，在GV201 出来的X14 接口就把带硬件流控的RS 232协议转换成了IP协议，然后通过交换机（可以共享机房现有的交换机，从而节约成本，建议设置VLAN）走IP网络和远端进行互联。在RCMS远端则是相反的过程，首先把多个IP网络通过交换机进行互联，然后送至IP/串口协议转换装置，该装置提供IP/串口之间的协议转换，最终和RCMS的P1(P2、P3、P4 具体看RCMS的配置)进行通信。

图1 系统结构框图

2 硬件设计

在本方案中，IP/串口协议转换装置是专门针对R&S200系列甚高频远程监控协议转换的装置，所以需要进行硬件设计。在GV201端，该协议转换装置需考虑到设计的尺寸，使之适合直接安装在GV201的X14 接口上；在RCMS端，则需要考虑支持多个带硬件流控的RS232协议转换。方案采用上海乐鑫科技公司的型号为ESP-WROOM-02D的SOC 作为主控芯片，该芯片采用Xtensa 32-bit LX6 双核处理器，运算能力高达600MIPS，集成UART、以太网MAC接口、触摸传感器、A/D 转换、D/A 转换等外设。在本方案主要用到了SOC的UART 外设和ETH 外设。UART 外设用于和GV201和RCMS的RS232 进行连接，由于SOC的逻辑电平为LVCOMS，与V.24 RS232的逻辑电平不匹配，所以中间需要加HIN207 芯片进行电平转换。ETH 外设用于IP网络，该SOC内置了RMII 接口的MAC，所需还需加PHY 芯片和网络变压器等才能和外部IP设备进行通信，系统选用LAN8720 以太网模块。系统的硬件结构框图如图2所示。图2从左至右依次是：首先是标准DB25 接口，用于连接GV201 X14或者RCMS的P1-P4端口，走的是EIA RS-232协议；然后是电平转换模块，完成RS232 电平和LVCOMS 电平之间的逻辑电平转换；其次是SOC 主控，负责UART和IP之间的协议转换，以及其他的控制；最后是网络模块，通过RMII 总线协议，完成SOC的MAC和PHY之间的协议转换和IP网络收发。

图2 系统硬件结构框图

3 软件设计

本系统方案中，设计的软件是用于运行在SOC 芯片中，完成UART和IP协议之间的转换和一些辅助功能。系统的软件结构框图如下图3所示。系统搭载开源免费的FreeRTOS 实时操作系统，可以同时运行多个任务。软件的功能模块主要由系统参数管理、UART 管理、数据和流控管理、报文加密解密管理、通信协议管理、ETH IP管理6个模块组成。系统参数管理主要是对参数表进行维护，包括参数查询、修改、参数表的flash存储等，可以通过串口或客户端网页进行参数的设置。UART 管理主要是管理UART 硬件模块，可以通过设置波特率、数据位、起始位、停止位、奇偶校验、流控方式、数据DMA 等寄存器，完成UART的硬件初始化，GV201 X14端口和RCMS P1-P4端口的参数一般为：波特率9600，无奇偶校验、8 位数据位、1 位起始、1 位停止位。数据和流控管理主要是管理多个UART端口和多个IP端口之间的数据交互以及之间的流控控制。报文加密解密管理用于IP报文的加密和解密，为了提升系统的网络安全性，对IP报文进行了AES加密，SOC 芯片支持AES硬件加密，可以快速地完成IP报文的加密和解密运算。通信协议管理主要是管理多个IP/串口协议转换装置之间的通信，系统支持1对1、1对n、n对1、n对n 通信，可以通过参数配置把指定的UART端口数据送到指定的UART端口。多个IP/串口协议转换装置之间可以选择UDP 或TCP模式进行传输。ETH IP管理主要用于管理LAN8720网络模块，以及IP网络的网络事件，同时也完成SOC的WIFI 功能管理。

图3 系统软件结构框图

4 结语

该方案具有多个优点： IP/串口协议转换装置体积小，直接安装在GV201的X14 接口，外形美观不占太大的空间；成本低，通过采用高性价比的国产SOC 物联网芯片，极大减低硬件成本；组网方便，布线灵活。尤其是RCMS端，以前需要多根串口线从PCM设备连接至监控主机，现在只需一根网线即可；对报文进行AES加密，对比原来的直接PCM 通信，现有的通信方式更具网络安全性。目前，该方案已经在民航湖南空管分局部署使用，解决了之前R&S200系列甚高频RCMS 远程监控信号不稳定、组网不灵活等问题，提升了设备的保障能力。