基于中斷機(jī)制電臺(tái)長(zhǎng)劃保護(hù)器的設(shè)計(jì)

宋政達(dá)李 紳（.民航內(nèi)蒙古空管分局技術(shù)保障部，內(nèi)蒙古 呼和浩特 00070；.內(nèi)蒙古呼和浩特市公安局網(wǎng)絡(luò)安全保衛(wèi)支隊(duì)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 00070）

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基于中斷機(jī)制電臺(tái)長(zhǎng)劃保護(hù)器的設(shè)計(jì)

宋政達(dá)1李 紳2
（1.民航內(nèi)蒙古空管分局技術(shù)保障部，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070；
2.內(nèi)蒙古呼和浩特市公安局網(wǎng)絡(luò)安全保衛(wèi)支隊(duì)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070）

摘 要：在民航空管系統(tǒng)中，無(wú)人值守甚高頻臺(tái)站越來(lái)越多的投入使用，使得甚高頻設(shè)備安全運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越大。在諸多的風(fēng)險(xiǎn)中，最危險(xiǎn)的無(wú)疑是電臺(tái)長(zhǎng)劃。電臺(tái)長(zhǎng)劃的發(fā)生，具有突發(fā)性、不可預(yù)測(cè)性和多部電臺(tái)同時(shí)長(zhǎng)劃等特點(diǎn)，因此，設(shè)計(jì)出一款能夠自動(dòng)判斷并抑制電臺(tái)長(zhǎng)劃的設(shè)備就顯得十分必要。本文基于中斷機(jī)制，闡述了一款電臺(tái)長(zhǎng)劃保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)思想，并明確了實(shí)現(xiàn)這些功能的技術(shù)指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：電臺(tái)；PTT線(xiàn)；中斷機(jī)制

一、設(shè)計(jì)背景

隨著航班數(shù)量的快速增長(zhǎng)，對(duì)地空通信所使用的甚高頻設(shè)備的需求也日益增多。越來(lái)越多的甚高頻臺(tái)站，尤其是無(wú)人值守甚高頻臺(tái)站陸續(xù)建成并投入使用。為了達(dá)到多重備份，臺(tái)站之間的距離越來(lái)越短，這使得甚高頻設(shè)備安全運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)也越來(lái)越大。從目前公布的全國(guó)各地眾多甚高頻設(shè)備故障案例來(lái)看，在諸多的風(fēng)險(xiǎn)中，發(fā)生電臺(tái)長(zhǎng)劃無(wú)疑是最危險(xiǎn)的。一個(gè)臺(tái)站的電臺(tái)發(fā)生長(zhǎng)劃后，周?chē)辽?50km半徑內(nèi)所有臺(tái)站中與長(zhǎng)劃電臺(tái)同頻的電臺(tái)，不管有多少條傳輸路由將信號(hào)傳回管制終端，都將失去通信功能。同時(shí)，電臺(tái)長(zhǎng)劃的發(fā)生，又具有突發(fā)性、不可預(yù)測(cè)性和多部電臺(tái)同時(shí)長(zhǎng)劃等特點(diǎn)，對(duì)于有人值守臺(tái)站，從發(fā)現(xiàn)并判斷出長(zhǎng)劃到切斷長(zhǎng)劃路由所需的時(shí)間，往往是塔臺(tái)、進(jìn)近等管制部門(mén)所不能接受的，對(duì)于無(wú)人值守臺(tái)站，如果發(fā)生電臺(tái)長(zhǎng)劃時(shí)由于傳輸路由誤碼過(guò)高導(dǎo)致無(wú)法遙控開(kāi)關(guān)機(jī)，那么所需的恢復(fù)時(shí)間將會(huì)更長(zhǎng)。

二、長(zhǎng)劃控制的原理

電臺(tái)發(fā)生長(zhǎng)劃時(shí)，不管是由于傳輸線(xiàn)路誤碼過(guò)高還是由于其他不可控的原因，最終在傳輸?shù)纳醺哳l臺(tái)站一端，都會(huì)使得控制電臺(tái)發(fā)射的PTT線(xiàn)短時(shí)間間隔頻繁對(duì)地，例如一分鐘對(duì)地幾十次甚至更多，這就導(dǎo)致一方面此電臺(tái)信號(hào)覆蓋空域內(nèi)飛行員只能聽(tīng)到“咔咔”的噪聲而無(wú)法聽(tīng)到管制員的聲音，另一方面附近其他同頻接收電臺(tái)也會(huì)將此電磁波傳回管制員一端，導(dǎo)致管制員也只能聽(tīng)到“咔咔”的噪聲而無(wú)法聽(tīng)到飛行員的聲音。還有一種情況就是將PTT線(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間一直對(duì)地，超過(guò)電臺(tái)發(fā)射保護(hù)時(shí)間后，導(dǎo)致該電臺(tái)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)而無(wú)法使用。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)控制器，在不影響電臺(tái)PTT線(xiàn)正常對(duì)地的前提下，每分鐘內(nèi)（此時(shí)間長(zhǎng)短可設(shè)）：

1 判斷與PTT線(xiàn)相連的E線(xiàn)對(duì)地的次數(shù)，如果一分鐘內(nèi)E線(xiàn)對(duì)地次數(shù)超過(guò)30次（此數(shù)目可設(shè)），則認(rèn)為不是管制員正常發(fā)話(huà)而是發(fā)生了瞬態(tài)頻繁長(zhǎng)劃現(xiàn)象，此時(shí)，控制器切斷此路由的E線(xiàn)。

2 如果與PTT線(xiàn)相連的E線(xiàn)持續(xù)對(duì)地時(shí)間超過(guò)30s（此時(shí)間長(zhǎng)短根據(jù)電臺(tái)發(fā)射保護(hù)時(shí)間進(jìn)行設(shè)置），則認(rèn)為是傳輸路由E線(xiàn)一直對(duì)地導(dǎo)致電臺(tái)長(zhǎng)時(shí)間處于發(fā)射狀態(tài)，此時(shí)，在電臺(tái)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)之前，控制器切斷此路由的E線(xiàn)。

圖1　

圖2　

3 不管是第一種長(zhǎng)劃，還是第二種長(zhǎng)劃，長(zhǎng)劃結(jié)束后控制器能夠自動(dòng)恢復(fù)E線(xiàn)的閉合狀態(tài)，使此路由恢復(fù)正常使用。

為了節(jié)省資源，提高效率，可以使用一個(gè)控制器同時(shí)控制兩個(gè)或多個(gè)傳輸路由的E線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)上述三個(gè)功能，且互不干擾。上述思路在現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)如圖1所示。圖中聯(lián)通路PCM的E線(xiàn)一分鐘內(nèi)對(duì)地超過(guò)設(shè)定次數(shù)或一次對(duì)地超過(guò)設(shè)定時(shí)限，則保護(hù)器切斷聯(lián)通路PCM的E線(xiàn)，這樣，廣電路PCM還能正常使用。同理，廣電路PCM出現(xiàn)上述故障，E線(xiàn)被切斷，聯(lián)通路PCM還能正常使用。如果聯(lián)通、廣電兩個(gè)路由同時(shí)出現(xiàn)上述故障，則控制器同時(shí)切斷兩路E線(xiàn)，那么此電臺(tái)將不能使用，避免了長(zhǎng)發(fā)電臺(tái)對(duì)周?chē)_(tái)站的影響。此時(shí)管制員啟用備份臺(tái)站的電臺(tái)，不會(huì)影響指揮。

三、實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)劃保護(hù)的設(shè)計(jì)要求

要實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)思想，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中將采用以下技術(shù)措施：

1 核心處理器采用52系列單片機(jī)或ARM7內(nèi)核芯片，全部使用程序語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)故障判斷和控制功能，以增強(qiáng)系統(tǒng)抗電磁干擾能力。

2 采用芯片上集成的中斷模塊采集傳輸路由E線(xiàn)的對(duì)地次數(shù)，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。

3 采用芯片上通用I/O引腳實(shí)現(xiàn)切斷和恢復(fù)的邏輯輸出，減少外圍元器件的使用。

4 采用光電耦合器實(shí)現(xiàn)信令線(xiàn)狀態(tài)的感應(yīng)，同時(shí)不影響E線(xiàn)狀態(tài)。

5 采用與芯片輸出引腳電平直接匹配的直流繼電器實(shí)現(xiàn)E線(xiàn)的切斷與吸合，增強(qiáng)控制效率。

6 系統(tǒng)的供電、時(shí)鐘及外殼等都將進(jìn)行滿(mǎn)足電磁兼容要求的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。

在上述技術(shù)措施中，要滿(mǎn)足下述技術(shù)要求：

1 光耦對(duì)信令線(xiàn)信號(hào)的感應(yīng)，其反應(yīng)時(shí)間應(yīng)該能真正反映信令信號(hào)對(duì)地的時(shí)間。

2 中斷模塊采集光耦的輸出，中斷響應(yīng)時(shí)間要控制在光耦兩次輸出的時(shí)間差之內(nèi)。

3 核心處理芯片通用I/O引腳輸出切斷和吸合的邏輯，引腳的驅(qū)動(dòng)能力要符合繼電器電氣特性的要求。

4 核心處理芯片實(shí)現(xiàn)中斷次數(shù)的統(tǒng)計(jì)及判斷，程序響應(yīng)時(shí)間要滿(mǎn)足高頻次中斷的需求。

5 時(shí)鐘，供電等外圍器件，既要滿(mǎn)足系統(tǒng)運(yùn)行的需求，還要滿(mǎn)足穩(wěn)定性，電磁兼容等外圍環(huán)境的需求。

6 系統(tǒng)整體要滿(mǎn)足反應(yīng)迅速，判斷準(zhǔn)確，抗干擾能力強(qiáng)，長(zhǎng)期運(yùn)行可靠等要求。

四、中斷機(jī)制在長(zhǎng)劃保護(hù)系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

在此電臺(tái)長(zhǎng)劃保護(hù)系統(tǒng)中，長(zhǎng)劃的發(fā)生是具有隨機(jī)性，這就要求控制系統(tǒng)在平常甚高頻通信系統(tǒng)正常工作的狀態(tài)下處于一個(gè)等待監(jiān)控的狀態(tài)，當(dāng)長(zhǎng)劃發(fā)生時(shí)，能在一個(gè)管制員接受的時(shí)長(zhǎng)內(nèi)發(fā)現(xiàn)發(fā)生了長(zhǎng)劃并立即切斷山上電臺(tái)的發(fā)射控制線(xiàn)-E線(xiàn)。并且在長(zhǎng)劃發(fā)生結(jié)束后，能及時(shí)的恢復(fù)E線(xiàn)的閉合狀態(tài)，使電臺(tái)恢復(fù)正常的發(fā)射工作狀態(tài)。這種“等待-監(jiān)視-判斷-執(zhí)行-恢復(fù)-重新等待”循環(huán)往復(fù)的工作模式，正好符合52單片機(jī)等集成芯片的片上內(nèi)置中斷控制模塊的工作原理，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，將E線(xiàn)的對(duì)地狀態(tài)時(shí)的電平狀態(tài)設(shè)置為觸發(fā)中斷的工作電平，每觸發(fā)一次中斷，在中斷處理程序中進(jìn)行一次計(jì)數(shù)，在一個(gè)固定的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行中斷計(jì)數(shù)值得識(shí)別，當(dāng)此計(jì)數(shù)值大于我們事先設(shè)好的數(shù)值時(shí)，就認(rèn)為發(fā)生了電臺(tái)長(zhǎng)劃，這時(shí)立即給接在E線(xiàn)上的繼電器一個(gè)控制電平，使繼電器實(shí)現(xiàn)斷開(kāi)狀態(tài)，從而達(dá)到控制電臺(tái)長(zhǎng)劃的目的。在E線(xiàn)斷開(kāi)的時(shí)間段內(nèi)，仍需控制系統(tǒng)定期檢測(cè)E線(xiàn)的電平狀態(tài)。如果在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)E線(xiàn)觸發(fā)中斷的次數(shù)仍然大于設(shè)定值，則認(rèn)為電臺(tái)長(zhǎng)劃仍在繼續(xù)，則繼續(xù)保持控制繼電器的斷開(kāi)狀態(tài)。反之如果在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)E線(xiàn)觸發(fā)中斷德次數(shù)小于設(shè)定值，則認(rèn)為電臺(tái)長(zhǎng)劃已經(jīng)結(jié)束，此時(shí)就恢復(fù)繼電器的閉合狀態(tài)。在恢復(fù)繼電器閉合后，仍然要繼續(xù)進(jìn)行之前對(duì)E線(xiàn)狀態(tài)的監(jiān)視和判斷，并且無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間的如此循環(huán)下去。中斷控制原理如圖2所示（假設(shè)循環(huán)的周期為30s，預(yù)設(shè)中斷次數(shù)最大值為20，繼電器的初始狀態(tài)為閉合狀態(tài)）：在上述循環(huán)過(guò)程中，E線(xiàn)觸發(fā)中斷這個(gè)事件隨時(shí)有可能發(fā)生，可以發(fā)生在上述過(guò)程的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，但由于循環(huán)過(guò)程是無(wú)限往復(fù)的，因此，發(fā)生電臺(tái)長(zhǎng)劃后，被系統(tǒng)識(shí)別并進(jìn)行控制的最大響應(yīng)時(shí)間就是預(yù)設(shè)的循環(huán)周期。在空管的實(shí)際應(yīng)用中，一般來(lái)說(shuō)，N設(shè)為15，循環(huán)周期設(shè)為30s，即可達(dá)到使用要求。同時(shí)，使用52單片機(jī)一類(lèi)的微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)中斷的觸發(fā)，由于中斷控制模塊是集成在微處理器內(nèi)部的，其響應(yīng)的全過(guò)程（包括中斷請(qǐng)求，斷點(diǎn)保護(hù)，調(diào)用中斷處理子程序，回到斷點(diǎn)，中斷結(jié)束）是自動(dòng)完成的，以ATEL52單片機(jī)為例，晶振主頻為12MHz，整個(gè)中斷處理過(guò)程是毫秒級(jí)的，如果采用主頻更高的ARM內(nèi)核的微處理器（如三星44B0X，晶振主頻為40MHz），則中斷響應(yīng)過(guò)程會(huì)更快，這樣即使是發(fā)生電臺(tái)長(zhǎng)劃時(shí)E線(xiàn)對(duì)地的頻率非常高，也不會(huì)出現(xiàn)在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)由于不斷調(diào)用中斷服務(wù)子程序而導(dǎo)致的循環(huán)周期無(wú)法完成的情況。經(jīng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，由于傳輸導(dǎo)致的電臺(tái)長(zhǎng)劃發(fā)生時(shí)，其對(duì)地產(chǎn)生的“咔咔聲”一秒鐘不會(huì)超過(guò)20次，因此使用52單片機(jī)等處理器，采用中斷機(jī)制來(lái)完成電臺(tái)長(zhǎng)劃的識(shí)別和控制，是完全能達(dá)到使用要求的。

五、前景展望

在當(dāng)前空管系統(tǒng)在用傳輸路由上使用此長(zhǎng)劃保護(hù)器后，下述長(zhǎng)劃故障：（1）傳輸誤碼高導(dǎo)致的瞬態(tài)頻繁長(zhǎng)劃；（2）E線(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間對(duì)地導(dǎo)致的持續(xù)長(zhǎng)劃；（3）單路由故障導(dǎo)致長(zhǎng)劃；（4）多路由同時(shí)故障導(dǎo)致長(zhǎng)劃；這些長(zhǎng)劃故障都將能在程序設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)得到控制，最長(zhǎng)不超過(guò)1分鐘，長(zhǎng)劃結(jié)束后自動(dòng)恢復(fù)正常狀態(tài)。如果按當(dāng)前沒(méi)有長(zhǎng)劃保護(hù)器的處理方式來(lái)處理長(zhǎng)劃故障，處理時(shí)間則會(huì)延長(zhǎng)很多，尤其是無(wú)人值守甚高頻臺(tái)站，處理時(shí)間和各種不確定性會(huì)大大增加。同時(shí)，此長(zhǎng)劃保護(hù)器能夠滿(mǎn)足判斷準(zhǔn)確，抗干擾能力強(qiáng)，長(zhǎng)期運(yùn)行可靠等要求。且功能可擴(kuò)展性也非常強(qiáng)，日后可根據(jù)需要，在現(xiàn)有傳輸手段的基礎(chǔ)上，增加遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)，更加便于日常使用和維護(hù)。

參考文獻(xiàn)

[1]譚亞軍.基于中斷機(jī)制的駐留式幫助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，1993（07）：10-12.

中圖分類(lèi)號(hào)：TN912

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A