基于W7100的雷達通信控制器設計

(成都航天通信設備有限責任公司，四川 成都 610051)

·機電工程·

基于W7100的雷達通信控制器設計

陳丹丹, 程 志, 趙建宏, 馮新華, 曾慶紅

(成都航天通信設備有限責任公司，四川 成都 610051)

為解決雷達數據與網絡數據格式轉換問題，實現雷達數據共享，設計了一款基于網絡微處理器W7100的雷達通信控制器。該控制器利用W7100控制串行通信芯片AM85C30實現雷達數據與以太網數據格式之間的轉換。利用TCP&UDP測試工具對該控制器在長期工作中發送/接收數據的速率及丟包率進行測試，其結果表明，該控制器能較好地滿足雷達數據的傳送速度、可靠性等通信性能要求。

W7100;雷達通信；控制器；HDLC

雷達數據傳輸是空管自動化系統的重要環節。雷達等設備通常使用專用的接口和協議，其數據協議一般為HDLC格式，多采用同步串口實現端對端傳輸，并需要安裝串口卡實現與雷達數據處理機的數據共享，這就浪費了資源，降低了處理機的數據處理能力，同時，接線復雜，系統的穩定性和故障可恢復性也大大降低[1-3]；因此，需要一種通信轉換設備，將雷達等設備的數據轉換為網絡協議數據，實現服務計算機的監控和與其他設備的信息共享。目前，此類通信轉換在國內少有研發，主要依靠從國外進口，但進口設備成本高、維修困難；因此，本文設計一種能對雷達數據格式和以太網通信協議數據格式進行相互轉換的控制器。

如圖1所示，雷達通信控制器主要在雷達與監控計算機/交換機/路由器之間起著橋接功能，即雷達通信控制器對HDLC格式的雷達數據和網絡格式數據間相互轉化。這些數據即可直接進入監控計算機以便于處理，也可通過路由器或者交換機實現數據的共享。此外，通過PC機上的超級終端對雷達通信控制器進行網絡參數的設置，如網關、IP地址、雷達數據速率參數配置，也可查看當前雷達通信控制器的網絡配置的相關參數。

圖1 通信控制器的應用連接圖

1 系統方案設計

雷達通信控制器的硬件設計主要是雷達數據接口與網絡接口之間的硬件設計；軟件設計主要完成HDLC格式的雷達數據的協議解析及其與網絡數據格式之間相互轉換等。

解析HDLC協議的雷達數據，可采用增強型通信控制器ESCC來實現。設計10M/100M以太網數據與雷達數據轉換可以采用如圖2所示的3種方案。其中，圖(a)采用通用單片機與硬件TCP/IP協議模塊或者芯片，完成網絡與雷達間數據格式的轉換。圖(b)(c)則分別采用高性能微處理器DSP或者FPGA、具有網絡功能的微處理器來實現該轉換。

(a)基于通用單片機

(b)基于DSP或者FPGA

(c)基于含網絡功能的微處理器

圖2(a)方案實時性較差、穩定性不高，既增加了成本和設計難度，又導致系統可靠性的降低。圖2(b)方案應用DSP或者FPGA等高性能處理器，則大大增加了開發成本與硬件調試難度。采用圖2(c)方案，利用自帶網絡處理功能的微處理器則較好地克服了上述問題。本文將利用方案(c)設計雷達通信控制器。

1.2軟件方案設計

如圖3所示，雷達通信控制器的軟件一方面完成雷達數據的協議解析，將解析后的數據轉換成網絡格式數據，另一方面對網絡數據進行格式處理，完成向雷達數據格式的轉換。系統程序主要有系統的初始化、網絡參數配置、協議解析、串行數據收發、以太網數據收發等。其中系統的初始化包括網絡微處理器的初始化、串口的初始化、TCP/IP初始化、定時器初始化等。協議的解析包括網絡數據向雷達數據轉換時的網絡數據解析和由雷達數據向網絡數據轉換時的HDLC協議的解析。

圖3 軟件程序框圖

2 硬件設計

2.1總體設計

如圖4所示，雷達通信控制器主要由網絡微處理器和協議編解碼模塊構成。通過雷達接口接收的雷達數據經RS232電平轉換模塊后，轉換成TTL電平，再經HDLC協議編解碼模塊轉換成并行數據，再經電平轉換后送至MCU處理，由微處理器將這些數據通過網絡發送出去。同理，網絡數據經MCU后轉換成固定格式的數據送至HDLC協議編解碼模塊轉化成雷達數據后，再由雷達接口送給雷達。此外，通過串口對通信控制器的網絡參數進行配置，通過LED指示燈顯示通信控制器目前的狀態。

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圖4 雷達通信控制器硬件原理框圖

2.2網絡微處理器

W7100是一款功能強大的網絡微處理器，內部含有一個與8051兼容的8位微處理器內核和硬件的TCP/IP內核[4]。網絡微處理器硬件主要由時鐘電路、復位電路和啟動模式配置電路等。其中時鐘電路和復位電路均采用微處理器常用的電路。啟動配置電路如圖5所示，通過引腳PM0-2上下拉電阻進行配置，一方面接下拉4.7 kΩ電阻，另一方面通過一組撥碼開關連高電平。其默認為下拉接地，為正常啟動模式。引腳BOOTEN控制啟動代碼運行控制：若為低電平，處理器從啟動存儲區跳到代碼存儲區(flash)，后運行應用程序代碼；若為高電平，在啟動存儲區運行啟動代碼。

圖5 主控電路圖

2.3 HDLC協議編解碼模塊

HDLC協議編解碼模塊采用集成芯片AM85C30，該器件為增強型串行通信集成電路，雙通道，每通道提供收發雙向服務，支持設備所需要的HDLC協議。該芯片內部集成了波特率生成器、數字鎖相環和晶體振蕩器等可編程器件，具有2路串并、并串轉換功能[5]。

AM85C30 的接口電路如圖6所示。它可實現全雙工異步通信。電路采用有響應中斷模式, 即在AM85C30有中斷申請且沒有進行中斷服務時, 將AM85C30 的INT 引腳拉低有效, 以向CPU 申請中斷, 而MCU在需要將網絡數據轉換成雷達數據時，向AM85C30 輸出INTACK 中斷響應信號，以便于AM85C30的轉換。

圖6 AM85C30應用電路圖

2.4其他模塊設計

其他模塊主要有電源電路、時鐘電路、復位電路等，其中時鐘電路和復位電路均采用處理器芯片公司推薦的方式。電源電路如圖7所示，雷達通信控制器JPS接口外接標準9 V直流電源，通過LM2596S-6穩壓芯片給系統板提供工作所需的5 V電源。 該5 V電源通過LM2576穩壓芯片得到系統所需的3.3 V直流電壓。另外，設計了用于指示電源狀態及各種通信信息的指示燈。

圖7 電源電路圖

2.5接口設計

如表1所示，通信控制器的接口包括網絡接口、雷達數據接口、配置接口等。網絡接口采用RJ-45的LAN口；雷達接口采用25針 sub-D型母型接頭與雷達實現互聯；配置接口采用9針sub-D型母頭與PC機互聯。

表1 通信控制器接口

3 軟件設計

在Keil中，實現系統初始化、加載和配置、串行數據收發、以太網數據收發、協議轉換、PC參數配置管理等功能。為保證工作狀態不會被誤操作破壞，本設計的雷達通信控制器設置有配置、工作2種狀態。上電后首先檢測網絡連接，若無網絡連接直接進入配置狀態，若有網絡連接，則進入工作狀態。在工作狀態，若想改變本機的參數，需拔掉網線，連接PC參數配置接口(按照說明進行配置)。在進入配置狀態后可進行規定參數的配置，配置后的參數重新啟動可以生效。

如圖8所示，首先進行系統初始化，包括W7100的配置[6]、參數加載、定時器初始化、串口初始化、配置AM85C30工作參數、配置TCP/IP協議棧硬核工作參數等[7-8]。配置部分負責上電后W7100自行啟動，初始化中斷系統，使各外圍硬件芯片正常工作，設備進入到既定的工作狀態。

上電后，W7100檢測啟動模式撥碼開關的硬件狀態，完成代碼加載，配置模式寄存器(MR)和中斷寄存器(IMR)，配置系統的定時器T0，配置以太網的重發時間和重發計數寄存器，配置以太網工作在UDP協議下，配置Socket參數[9]。

根據Default引腳狀態，判斷是否載入默認的出廠設置參數。若不載入默認設置，則按照用戶最后一次配置值載入網絡和設備參數。這些參數包括雷達接口速率、雷達時鐘模式、網關與本機物理地址、子網掩碼、本機和目的的IP地址和Socket端口號等。

本機物理地址是MAC層的硬件地址，這是生產商指定使用的地址。MAC地址由IEEE指定，在后期可手動修改參數，在設備研制階段設置一個任意的MAC地址。

W7100按照要求配置自帶的UART為異步串口，比特率默認值為9 600 b·s-1，此串口是用戶的參數配置串口。按照AM85C30的數據手冊，產生AM85C30的讀寫時序，與AM85C30并行數據端口交互數據，正確配置AM85C30芯片為HDLC模式。

圖8 軟件流程框圖

檢測以太網口的Link信號，若網線連接，該信號有效，則進入工作狀態，若沒有連接網線，則進入用戶參數配置狀態。

雷達數據收發負責接收和發送串行的雷達數據。AM85C30接收到串行雷達數據后，會以中斷方式通知主程序，系統判斷中斷的類型，若接收正常，每次會收到HDLC協議的幀尾同步字段中斷，此時提取收到的數據長度，將數據存入接收數據緩沖中，同時更新緩沖內待發數據長度。若接收數據緩沖中有待發數據，則正確讀取這些數據，并將其從AM85C30相應的HDLC串行通道中發送出去。

以太網數據收發負責從以太網上正確地收發網絡雷達數據。響應TCP/IP協議棧中斷，判斷中斷類型，若W7100是從以太網接口接收網絡雷達數據，則將數據存入網絡數據接收緩沖，并更新待發數據長度。系統監測接收緩沖區中待發數據的長度，若該長度大于0,則認為有數據待發，就啟動以太網數據發送模塊，正確讀取數據，并將其從W7100的網絡端口發送出去。若W7100接收的是以太網數據包，則將其存放在以太網接收數據緩沖，當一個網絡數據包接收完畢后，根據協議去掉UDP報頭，提取用戶數據的長度，若長度大于0,則判斷為收到有效的新數據，啟動HDLC數據發送。

控制器處于配置狀態時，W7100的串口接收到數據后，根據協議解析為配置何種參數,若為網絡參數，更新W7100內部工作寄存器的值，同時將參數寫入內置的256字節掉電不失的Data Flash中，若為串行通信參數，則產生AM85C30芯片的讀寫時序,更新AM85C30內部寄存器的值，同時將參數寫入內置的256字節掉電不失的Data Flash中。系統重啟后，默認載入用戶上一次配置的工作參數。

4 實驗

如圖9所示，采用2臺上述設計出的雷達通信控制器構建該款控制器的實驗測試系統。其中，PC機1、2分別與雷達通信控制器I、II的連接均借助于以太網網線，雷達通信控制器I、II通過DB25針的DTE/DCE電纜連接。PC機1、2的串口均通過DB-9接線器分別與雷達通信控制器I、II相連。

圖9 雷達通信控制器測試系統連接圖

測試系統上電后，通過操控面板上的指示燈可觀測控制器是否正常工作，如“Power”指示燈亮則說明電源供給正常，“LINK”指示燈亮則表示網絡連接正常等。實驗中，利用超級終端并通過其串口配置，查詢了包括網關IP 、子網掩碼、本機IP、Socket端口號、Socket目的IP、Socket目的端口號、雷達接口數據速率(當前支持速率9.6、38.4、64 kb·s-1)、時鐘模式(主、被動時鐘)等在內的控制器全部參數。

通信測試的數據格式及數據流向如圖10所示。在PC機1上使用“TCP&UDP測試工具”產生數據源，數據通過以太網網線發送至雷達通信控制器I，從而進入圖9所示的測試系統，最后流至PC機2，并在PC機2上利用“TCP&UDP測試工具”顯示出來。類似地進行了PC機2產生數據源，PC機1接受并顯示數據的實驗。這些實驗均在9.6、38.4、64 kb·s-1數據通信速率下進行了多次。

圖10 數據通信數據流程圖

在所有的測試過程中，主板上的指示燈均能正常閃爍，且均能正確配置系統參數。其中，連續1 000包(每包10個字節)的雷達數據通信實驗測試結果如表2所示。由表2可知，在不同雷達速率下，雷達通信控制器的丟包率都為0。這是由于雷達通信控制器應用于雷達(PC機I模擬的)與監控中心(PC機II模擬的)之間，不存在資源搶奪，與不同速率的雷達都能很好地互聯。

表2 實驗結果

若通信控制器應用在多節點網絡中，此時存在資源搶占，通信控制器則采用TCP模式也可實現可靠地數據傳輸。

5 結論

本文提出一種可靠性高、穩定性好的雷達通信控制器方案。在此基礎上，采用網絡微處理器W7100、串行通信芯核AM85C30設計了一款雷達通信控制器；構建了測試該控制器性能的測試系統并進行實驗。實驗結果表明，該控制器的指示燈能準確地顯示系統的工作狀態，控制器能對HDLC協議的雷達數據格式與TCP/IP協議的網絡數據格式進行相互轉化，支持RS232、UDP等通信協議且能在9.6、38.4、64 kb·s-13種速率下工作，通過接口，可配置其IP地址、網關、通信速率等參數。

該雷達通信控制器在雷達數據通信和雷達數據處理方面具有配置靈活、性能穩定、成本低等特點，已成功地試用于某空中交通管制自動化系統，且運行良好。

[1]李偉剛.嵌入式雷達數據協議轉換器的設計 [D].汕頭：汕頭大學，2011.

[2]宋科.多路雷達數據網絡傳輸中的嵌入式應用研究[D].成都：四川大學，2006.

[3]崔明雷.基于以太網物理層芯片的雷達數據傳輸系統設計[D]. 成都：電子科技大學，2005.

[4]成都浩然公司.W7100數據手冊-Ver.0.9 beta[EB/OL].(2009-12-15)[2011-04-15].http://www.hschip.com.

[5]AMD公司.AM85C30 [EB/OL].(2003-7-12)[2014-04-12].http://support.amd.com/TechDocs/10216.pdf#search=AM85C30.

[6]孫國政，張宇.基于W7100的雷達數據傳輸接口設計[J].雷達與對抗，2010，30(4)：56-58.

[7]Richard Stevens W. TCP/IP詳解卷1：協議 [M].范建華,譯.北京：機械工業出版社，2000：107-109.

[8]Gary R Wright, Richard Stevens W. TCP/IP詳解卷2:實現[M].陸雪瑩，譯.北京：機械工業出版社，2000：61-62.

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(編校：饒莉)

TheDesignofRadarCommunicationControllerBasedonW7100

CHEN Dan-dan, CHENG Zhi, ZHAO Jian-hong, FENG Xin-hua, ZENG Qing-hong

(ChengduAerospaceCommunicationsDeviceCompanyLimited,Chengdu610051China)

An effective scheme is presented to convert data formats of radar and network, and share radar data. Based on the scheme, a communication controller for radar is designed. It utilizes network Micro-processor W7100 to control serial communication IP AM85C30 in order to convert data format between radar data and Ethernet network data. The speed and packet loss rate of the controller sending/receiving data are tested with the TCP&UDP tools during long-term communication. The experiment results show that the controller can well meet the performance requirements for radar data communication, such as speed, reliability, and so on.

W7100；radar communication; controller; HDLC

2014-04-19

教育部“春暉計劃”重點資助項目(Z2012015)。

陳丹丹(1982—)，女，工程師，碩士，主要研究方向為通信與信息系統。E-mail:dellaspot@foxmail.com。

TN959

：A

：1673-159X(2015)02-0069-4

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.02.014