基于中斷機制電臺長劃保護器的設計

宋政達李 紳（.民航內蒙古空管分局技術保障部，內蒙古 呼和浩特 00070；.內蒙古呼和浩特市公安局網絡安全保衛支隊，內蒙古 呼和浩特 00070）

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基于中斷機制電臺長劃保護器的設計

宋政達1李 紳2
（1.民航內蒙古空管分局技術保障部，內蒙古 呼和浩特 010070；
2.內蒙古呼和浩特市公安局網絡安全保衛支隊，內蒙古 呼和浩特 010070）

摘 要：在民航空管系統中，無人值守甚高頻臺站越來越多的投入使用，使得甚高頻設備安全運行的風險越來越大。在諸多的風險中，最危險的無疑是電臺長劃。電臺長劃的發生，具有突發性、不可預測性和多部電臺同時長劃等特點，因此，設計出一款能夠自動判斷并抑制電臺長劃的設備就顯得十分必要。本文基于中斷機制，闡述了一款電臺長劃保護裝置的設計思想，并明確了實現這些功能的技術指標。

關鍵詞：電臺；PTT線；中斷機制

一、設計背景

隨著航班數量的快速增長，對地空通信所使用的甚高頻設備的需求也日益增多。越來越多的甚高頻臺站，尤其是無人值守甚高頻臺站陸續建成并投入使用。為了達到多重備份，臺站之間的距離越來越短，這使得甚高頻設備安全運行的風險也越來越大。從目前公布的全國各地眾多甚高頻設備故障案例來看，在諸多的風險中，發生電臺長劃無疑是最危險的。一個臺站的電臺發生長劃后，周圍至少150km半徑內所有臺站中與長劃電臺同頻的電臺，不管有多少條傳輸路由將信號傳回管制終端，都將失去通信功能。同時，電臺長劃的發生，又具有突發性、不可預測性和多部電臺同時長劃等特點，對于有人值守臺站，從發現并判斷出長劃到切斷長劃路由所需的時間，往往是塔臺、進近等管制部門所不能接受的，對于無人值守臺站，如果發生電臺長劃時由于傳輸路由誤碼過高導致無法遙控開關機，那么所需的恢復時間將會更長。

二、長劃控制的原理

電臺發生長劃時，不管是由于傳輸線路誤碼過高還是由于其他不可控的原因，最終在傳輸的甚高頻臺站一端，都會使得控制電臺發射的PTT線短時間間隔頻繁對地，例如一分鐘對地幾十次甚至更多，這就導致一方面此電臺信號覆蓋空域內飛行員只能聽到“咔咔”的噪聲而無法聽到管制員的聲音，另一方面附近其他同頻接收電臺也會將此電磁波傳回管制員一端，導致管制員也只能聽到“咔咔”的噪聲而無法聽到飛行員的聲音。還有一種情況就是將PTT線長時間一直對地，超過電臺發射保護時間后，導致該電臺進入保護狀態而無法使用。因此，設計一個控制器，在不影響電臺PTT線正常對地的前提下，每分鐘內（此時間長短可設）：

1 判斷與PTT線相連的E線對地的次數，如果一分鐘內E線對地次數超過30次（此數目可設），則認為不是管制員正常發話而是發生了瞬態頻繁長劃現象，此時，控制器切斷此路由的E線。

2 如果與PTT線相連的E線持續對地時間超過30s（此時間長短根據電臺發射保護時間進行設置），則認為是傳輸路由E線一直對地導致電臺長時間處于發射狀態，此時，在電臺進入保護狀態之前，控制器切斷此路由的E線。

圖1　

圖2　

3 不管是第一種長劃，還是第二種長劃，長劃結束后控制器能夠自動恢復E線的閉合狀態，使此路由恢復正常使用。

為了節省資源，提高效率，可以使用一個控制器同時控制兩個或多個傳輸路由的E線，實現上述三個功能，且互不干擾。上述思路在現實中實現如圖1所示。圖中聯通路PCM的E線一分鐘內對地超過設定次數或一次對地超過設定時限，則保護器切斷聯通路PCM的E線，這樣，廣電路PCM還能正常使用。同理，廣電路PCM出現上述故障，E線被切斷，聯通路PCM還能正常使用。如果聯通、廣電兩個路由同時出現上述故障，則控制器同時切斷兩路E線，那么此電臺將不能使用，避免了長發電臺對周圍臺站的影響。此時管制員啟用備份臺站的電臺，不會影響指揮。

三、實現長劃保護的設計要求

要實現上述設計思想，在實際設計過程中將采用以下技術措施：

1 核心處理器采用52系列單片機或ARM7內核芯片，全部使用程序語言來實現故障判斷和控制功能，以增強系統抗電磁干擾能力。

2 采用芯片上集成的中斷模塊采集傳輸路由E線的對地次數，增強系統可靠性。

3 采用芯片上通用I/O引腳實現切斷和恢復的邏輯輸出，減少外圍元器件的使用。

4 采用光電耦合器實現信令線狀態的感應，同時不影響E線狀態。

5 采用與芯片輸出引腳電平直接匹配的直流繼電器實現E線的切斷與吸合，增強控制效率。

6 系統的供電、時鐘及外殼等都將進行滿足電磁兼容要求的設計，增強系統可靠性。

在上述技術措施中，要滿足下述技術要求：

1 光耦對信令線信號的感應，其反應時間應該能真正反映信令信號對地的時間。

2 中斷模塊采集光耦的輸出，中斷響應時間要控制在光耦兩次輸出的時間差之內。

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

4 核心處理芯片實現中斷次數的統計及判斷，程序響應時間要滿足高頻次中斷的需求。

5 時鐘，供電等外圍器件，既要滿足系統運行的需求，還要滿足穩定性，電磁兼容等外圍環境的需求。

6 系統整體要滿足反應迅速，判斷準確，抗干擾能力強，長期運行可靠等要求。

四、中斷機制在長劃保護系統中的實現

在此電臺長劃保護系統中，長劃的發生是具有隨機性，這就要求控制系統在平常甚高頻通信系統正常工作的狀態下處于一個等待監控的狀態，當長劃發生時，能在一個管制員接受的時長內發現發生了長劃并立即切斷山上電臺的發射控制線-E線。并且在長劃發生結束后，能及時的恢復E線的閉合狀態，使電臺恢復正常的發射工作狀態。這種“等待-監視-判斷-執行-恢復-重新等待”循環往復的工作模式，正好符合52單片機等集成芯片的片上內置中斷控制模塊的工作原理，因此在實際設計過程中，將E線的對地狀態時的電平狀態設置為觸發中斷的工作電平，每觸發一次中斷，在中斷處理程序中進行一次計數，在一個固定的時間段內進行中斷計數值得識別，當此計數值大于我們事先設好的數值時，就認為發生了電臺長劃，這時立即給接在E線上的繼電器一個控制電平，使繼電器實現斷開狀態，從而達到控制電臺長劃的目的。在E線斷開的時間段內，仍需控制系統定期檢測E線的電平狀態。如果在一個循環周期內E線觸發中斷的次數仍然大于設定值，則認為電臺長劃仍在繼續，則繼續保持控制繼電器的斷開狀態。反之如果在一個循環周期內E線觸發中斷德次數小于設定值，則認為電臺長劃已經結束，此時就恢復繼電器的閉合狀態。在恢復繼電器閉合后，仍然要繼續進行之前對E線狀態的監視和判斷，并且無限長時間的如此循環下去。中斷控制原理如圖2所示（假設循環的周期為30s，預設中斷次數最大值為20，繼電器的初始狀態為閉合狀態）：在上述循環過程中，E線觸發中斷這個事件隨時有可能發生，可以發生在上述過程的任意一個節點上，但由于循環過程是無限往復的，因此，發生電臺長劃后，被系統識別并進行控制的最大響應時間就是預設的循環周期。在空管的實際應用中，一般來說，N設為15，循環周期設為30s，即可達到使用要求。同時，使用52單片機一類的微處理器來實現中斷的觸發，由于中斷控制模塊是集成在微處理器內部的，其響應的全過程（包括中斷請求，斷點保護，調用中斷處理子程序，回到斷點，中斷結束）是自動完成的，以ATEL52單片機為例，晶振主頻為12MHz，整個中斷處理過程是毫秒級的，如果采用主頻更高的ARM內核的微處理器（如三星44B0X，晶振主頻為40MHz），則中斷響應過程會更快，這樣即使是發生電臺長劃時E線對地的頻率非常高，也不會出現在一個循環周期內由于不斷調用中斷服務子程序而導致的循環周期無法完成的情況。經實踐發現，由于傳輸導致的電臺長劃發生時，其對地產生的“咔咔聲”一秒鐘不會超過20次，因此使用52單片機等處理器，采用中斷機制來完成電臺長劃的識別和控制，是完全能達到使用要求的。

五、前景展望

在當前空管系統在用傳輸路由上使用此長劃保護器后，下述長劃故障：（1）傳輸誤碼高導致的瞬態頻繁長劃；（2）E線長時間對地導致的持續長劃；（3）單路由故障導致長劃；（4）多路由同時故障導致長劃；這些長劃故障都將能在程序設定的時間段內得到控制，最長不超過1分鐘，長劃結束后自動恢復正常狀態。如果按當前沒有長劃保護器的處理方式來處理長劃故障，處理時間則會延長很多，尤其是無人值守甚高頻臺站，處理時間和各種不確定性會大大增加。同時，此長劃保護器能夠滿足判斷準確，抗干擾能力強，長期運行可靠等要求。且功能可擴展性也非常強，日后可根據需要，在現有傳輸手段的基礎上，增加遠程監控系統以及遠程遙控系統，更加便于日常使用和維護。

參考文獻

[1]譚亞軍.基于中斷機制的駐留式幫助系統的設計與實現[J].微型機與應用，1993（07）：10-12.

中圖分類號：TN912

文獻標識碼：A