基于中断机制电台长划保护器的设计

宋政达李 绅（.民航内蒙古空管分局技术保障部，内蒙古 呼和浩特 00070；.内蒙古呼和浩特市公安局网络安全保卫支队，内蒙古 呼和浩特 00070）



基于中断机制电台长划保护器的设计

宋政达1李 绅2
（1.民航内蒙古空管分局技术保障部，内蒙古 呼和浩特 010070；
2.内蒙古呼和浩特市公安局网络安全保卫支队，内蒙古 呼和浩特 010070）

摘 要：在民航空管系统中，无人值守甚高频台站越来越多的投入使用，使得甚高频设备安全运行的风险越来越大。在诸多的风险中，最危险的无疑是电台长划。电台长划的发生，具有突发性、不可预测性和多部电台同时长划等特点，因此，设计出一款能够自动判断并抑制电台长划的设备就显得十分必要。本文基于中断机制，阐述了一款电台长划保护装置的设计思想，并明确了实现这些功能的技术指标。

关键词：电台；PTT线；中断机制

一、设计背景

随着航班数量的快速增长，对地空通信所使用的甚高频设备的需求也日益增多。越来越多的甚高频台站，尤其是无人值守甚高频台站陆续建成并投入使用。为了达到多重备份，台站之间的距离越来越短，这使得甚高频设备安全运行的风险也越来越大。从目前公布的全国各地众多甚高频设备故障案例来看，在诸多的风险中，发生电台长划无疑是最危险的。一个台站的电台发生长划后，周围至少150km半径内所有台站中与长划电台同频的电台，不管有多少条传输路由将信号传回管制终端，都将失去通信功能。同时，电台长划的发生，又具有突发性、不可预测性和多部电台同时长划等特点，对于有人值守台站，从发现并判断出长划到切断长划路由所需的时间，往往是塔台、进近等管制部门所不能接受的，对于无人值守台站，如果发生电台长划时由于传输路由误码过高导致无法遥控开关机，那么所需的恢复时间将会更长。

二、长划控制的原理

电台发生长划时，不管是由于传输线路误码过高还是由于其他不可控的原因，最终在传输的甚高频台站一端，都会使得控制电台发射的PTT线短时间间隔频繁对地，例如一分钟对地几十次甚至更多，这就导致一方面此电台信号覆盖空域内飞行员只能听到“咔咔”的噪声而无法听到管制员的声音，另一方面附近其他同频接收电台也会将此电磁波传回管制员一端，导致管制员也只能听到“咔咔”的噪声而无法听到飞行员的声音。还有一种情况就是将PTT线长时间一直对地，超过电台发射保护时间后，导致该电台进入保护状态而无法使用。因此，设计一个控制器，在不影响电台PTT线正常对地的前提下，每分钟内（此时间长短可设）：

1 判断与PTT线相连的E线对地的次数，如果一分钟内E线对地次数超过30次（此数目可设），则认为不是管制员正常发话而是发生了瞬态频繁长划现象，此时，控制器切断此路由的E线。

2 如果与PTT线相连的E线持续对地时间超过30s（此时间长短根据电台发射保护时间进行设置），则认为是传输路由E线一直对地导致电台长时间处于发射状态，此时，在电台进入保护状态之前，控制器切断此路由的E线。

图1　

图2　

3 不管是第一种长划，还是第二种长划，长划结束后控制器能够自动恢复E线的闭合状态，使此路由恢复正常使用。

为了节省资源，提高效率，可以使用一个控制器同时控制两个或多个传输路由的E线，实现上述三个功能，且互不干扰。上述思路在现实中实现如图1所示。图中联通路PCM的E线一分钟内对地超过设定次数或一次对地超过设定时限，则保护器切断联通路PCM的E线，这样，广电路PCM还能正常使用。同理，广电路PCM出现上述故障，E线被切断，联通路PCM还能正常使用。如果联通、广电两个路由同时出现上述故障，则控制器同时切断两路E线，那么此电台将不能使用，避免了长发电台对周围台站的影响。此时管制员启用备份台站的电台，不会影响指挥。

三、实现长划保护的设计要求

要实现上述设计思想，在实际设计过程中将采用以下技术措施：

1 核心处理器采用52系列单片机或ARM7内核芯片，全部使用程序语言来实现故障判断和控制功能，以增强系统抗电磁干扰能力。

2 采用芯片上集成的中断模块采集传输路由E线的对地次数，增强系统可靠性。

3 采用芯片上通用I/O引脚实现切断和恢复的逻辑输出，减少外围元器件的使用。

4 采用光电耦合器实现信令线状态的感应，同时不影响E线状态。

5 采用与芯片输出引脚电平直接匹配的直流继电器实现E线的切断与吸合，增强控制效率。

6 系统的供电、时钟及外壳等都将进行满足电磁兼容要求的设计，增强系统可靠性。

在上述技术措施中，要满足下述技术要求：

1 光耦对信令线信号的感应，其反应时间应该能真正反映信令信号对地的时间。

2 中断模块采集光耦的输出，中断响应时间要控制在光耦两次输出的时间差之内。

3 核心处理芯片通用I/O引脚输出切断和吸合的逻辑，引脚的驱动能力要符合继电器电气特性的要求。

4 核心处理芯片实现中断次数的统计及判断，程序响应时间要满足高频次中断的需求。

5 时钟，供电等外围器件，既要满足系统运行的需求，还要满足稳定性，电磁兼容等外围环境的需求。

6 系统整体要满足反应迅速，判断准确，抗干扰能力强，长期运行可靠等要求。

四、中断机制在长划保护系统中的实现

在此电台长划保护系统中，长划的发生是具有随机性，这就要求控制系统在平常甚高频通信系统正常工作的状态下处于一个等待监控的状态，当长划发生时，能在一个管制员接受的时长内发现发生了长划并立即切断山上电台的发射控制线-E线。并且在长划发生结束后，能及时的恢复E线的闭合状态，使电台恢复正常的发射工作状态。这种“等待-监视-判断-执行-恢复-重新等待”循环往复的工作模式，正好符合52单片机等集成芯片的片上内置中断控制模块的工作原理，因此在实际设计过程中，将E线的对地状态时的电平状态设置为触发中断的工作电平，每触发一次中断，在中断处理程序中进行一次计数，在一个固定的时间段内进行中断计数值得识别，当此计数值大于我们事先设好的数值时，就认为发生了电台长划，这时立即给接在E线上的继电器一个控制电平，使继电器实现断开状态，从而达到控制电台长划的目的。在E线断开的时间段内，仍需控制系统定期检测E线的电平状态。如果在一个循环周期内E线触发中断的次数仍然大于设定值，则认为电台长划仍在继续，则继续保持控制继电器的断开状态。反之如果在一个循环周期内E线触发中断德次数小于设定值，则认为电台长划已经结束，此时就恢复继电器的闭合状态。在恢复继电器闭合后，仍然要继续进行之前对E线状态的监视和判断，并且无限长时间的如此循环下去。中断控制原理如图2所示（假设循环的周期为30s，预设中断次数最大值为20，继电器的初始状态为闭合状态）：在上述循环过程中，E线触发中断这个事件随时有可能发生，可以发生在上述过程的任意一个节点上，但由于循环过程是无限往复的，因此，发生电台长划后，被系统识别并进行控制的最大响应时间就是预设的循环周期。在空管的实际应用中，一般来说，N设为15，循环周期设为30s，即可达到使用要求。同时，使用52单片机一类的微处理器来实现中断的触发，由于中断控制模块是集成在微处理器内部的，其响应的全过程（包括中断请求，断点保护，调用中断处理子程序，回到断点，中断结束）是自动完成的，以ATEL52单片机为例，晶振主频为12MHz，整个中断处理过程是毫秒级的，如果采用主频更高的ARM内核的微处理器（如三星44B0X，晶振主频为40MHz），则中断响应过程会更快，这样即使是发生电台长划时E线对地的频率非常高，也不会出现在一个循环周期内由于不断调用中断服务子程序而导致的循环周期无法完成的情况。经实践发现，由于传输导致的电台长划发生时，其对地产生的“咔咔声”一秒钟不会超过20次，因此使用52单片机等处理器，采用中断机制来完成电台长划的识别和控制，是完全能达到使用要求的。

五、前景展望

在当前空管系统在用传输路由上使用此长划保护器后，下述长划故障：（1）传输误码高导致的瞬态频繁长划；（2）E线长时间对地导致的持续长划；（3）单路由故障导致长划；（4）多路由同时故障导致长划；这些长划故障都将能在程序设定的时间段内得到控制，最长不超过1分钟，长划结束后自动恢复正常状态。如果按当前没有长划保护器的处理方式来处理长划故障，处理时间则会延长很多，尤其是无人值守甚高频台站，处理时间和各种不确定性会大大增加。同时，此长划保护器能够满足判断准确，抗干扰能力强，长期运行可靠等要求。且功能可扩展性也非常强，日后可根据需要，在现有传输手段的基础上，增加远程监控系统以及远程遥控系统，更加便于日常使用和维护。

参考文献

[1]谭亚军.基于中断机制的驻留式帮助系统的设计与实现[J].微型机与应用，1993（07）：10-12.

中图分类号：TN912

文献标识码：A