【摘要】本文设计并实现了一种为HDLC雷达数据帧添加UTC时标信息的硬件设备。硬件设备由MCU、GPS模块、时钟模块、HDLC控制器等构成。能够接收、处理、转发HDLC数据帧，并为HDLC帧添加UTC时标信息。后端处理系统可根据时标信息，对雷达数据经过传输网络产生的时延进行统计分析，辅助网络部门更好地监测雷达数据传输链路的质量。
【关键字】HDLC；雷达数据；GPS
引言
民航空管雷达数据主要采用HDLC协议封装，并通过广域网传输至异地。数据传输时延较大时，会对后端自动化处理系统的航迹融合功能产生负面影响，因此，网络部门需要对雷达数据的时延情况进行监视。
对于雷达数据格式本身包含UTC时标信息的情况，后端监测系统可以通过比较数据帧内时标和本地GPS时间，进行分析处理。而对于雷达数据本身不含UTC时标信息，或者时标信息不准确的情况，则无能为力。因此笔者在监测系统的开发过程中，设计并实现了一种雷达数据时标信息加注设备，可为雷达数据帧添加精确的UTC时标信息。通过该设备，雷达数据时延监测系统可对各种HDLC数据流进行处理，而不需要关心具体的雷达数据格式。
1.硬件设计
设备的主要硬件构成包括：一块Mega2560核心控制板；2片MT8952B作为HDLC控制器；2片MAX232用于RS232电平与TTL电平的转换；1块NEO-6M GPS模块用于GPS时间的获取；1片RX-8025用于本地时钟。硬件结构框图如图1所示。
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图1 硬件框图
1.1.MCU
MCU采用USB供电的核心板，其处理器核心是ATmega2560，具有54路数字输入输出，适合需要大量IO接口的设计。含有一个16MHz晶体振荡器，一个USB口，支持spi串口和I2C接口。ATmega2560有256kB的Flash和8kB的SRAM。
MCU负责功能逻辑的实现，通过GPS模块和时钟模块获取UTC时间信息，通过2片MT8952B实现双路HDLC数据传输。
1.2.GPS模块
时标信息加注设备内置GPS信号接收模块，通过GNSS获得精确的UTC时间，可提供精确到毫秒的时间戳信息。MCU与GPS模块之间，通过UART接口通信，并将GPS模块输出的PPS信号以中断方式接入。
1.3.时钟模块
RX8025-T是一款拥有I2C接口和温度补偿功能的新型实时时钟芯片，内部集成32.768KHz温度补偿晶体振荡器，可用于各种需要高精度时钟的场合。MCU与时钟芯片之间，通过I2C接口通信，并引接其输出的时间更新中断。在完成GPS校时后，时钟模块为MCU提供本地时间信息。
1.4.HDLC控制器
MT8952B是一款HDLC协议控制器，能够处理符合CCITT建议的HDLC数据帧，具有可灵活操控的微控制器接口和寄存器。
设备采用2片MT8952B，以提供1个输入通道和2个输出通道。输入端口P1接收HDLC数据帧，主用输出端口P2输出带加注时标信息的数据帧，辅助输出端口P3输出原始（不含加注时标信息）数据帧。
1.5.外部接口
设备外部接口主要包括DB-25连接器、电源、功能设置开关等，如图2所示：
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图2 设备外部接口示意图
设备提供DB-25连接器，用于连接外部HDLC传输设备。输入端口P1引脚为DTE模式，输出端口P2和P3为DCE模式。接口的内/外时钟模式可通过拨动开关进行设置。
2.软件设计
2.1.软件处理流程
MCU的程序主要由初始化处理和中断服务处理构成：
1．MCU初始化：程序数据结构的初始化，串口、I2C接口的初始化，并口总线等的初始化。
2．外围芯片初始化：完成GPS模块、时钟模块、MT8952的寄存器设置；
3．物理中断设置：初始化MCU的中断引脚，包括GPS模块和时钟模块的秒脉冲信号，MT8952的寄存器就绪信号。
4．校时处理：等待GPS模块获得正确的闰秒信息，再对RX-8025时钟模块进行时间设置。
5．时钟秒脉冲中断处理：从时钟芯片读取时间信息，确认并修正内部UTC时间戳。
6．MT8952中断处理：从MT8952输入缓存读取HDLC数据字节和寄存器状态，完成数据帧读取。同时，向MT8952输出缓存写入待发送数据字节，并设置寄存器。
7．程序主循环：定时检查内部缓存，当新HDLC数据帧接收完成时，进行UTC时间信息的加注，并设置标志使处理后的数据帧处于待发状态。检查MT8952的发送通道状态，空闲状态时启动待发数据帧的发送。
2.2.GPS校时及本机时钟处理
首先，MCU从NEO-6M GPS模块接收2类报文：
1．NAV-TIMEGPS报文，包含闰秒的获取状态。
2．RMC报文，包含精确到秒的时间信息。
当GPS闰秒状态同步后，MCU对RX-8025进行时间设定。
MCU通过中断引脚连接GPS模块和时钟模块的秒脉冲信号输出引脚，从而实现毫秒级的时间同步精度。在脱离GPS信号的状态下，控制器可在数小时内维持准确的UTC时间。
2.3.HDLC数据帧收发处理
MCU通过中断信号、数据总线和片选信号，对2片MT8952B进行读、写操作。MT8952B在收、发路径各有19字节的FIFO，MCU在中断处理函数内完成HDLC帧数据的读、写操作。
读取时，数据字节先缓存于MCU的内存中，直至读取到帧结束标志。之后，MCU再对数据帧进行时标信息加注处理。从输入端口P1读取到的HDLC数据帧先被添加UTC时标信息，并存入缓冲区。MCU将加注后的HDLC数据帧从主用输出端口P2发出，同时将原始数据帧从辅助输出端口P3发出。
2.4.时标信息加注处理
设计上，时标信息字段长度为16字节，由标志字节、时标T1、时标T2构成，追加在雷达数据帧的末端。这样，后端的时标信息加注设备可以很方便地识别并改写时标信息字段。
部署在传输线路入口处的时标信息加注设备添加时标信息字段并填写时标T1，部署在传输线路出口处的时标信息加注设备识别时标信息字段并填写时标T2。
由于时标信息会额外占用空间，因此，处理程序实时统计数据流中有效负载的比例，进而计算合适的时标信息添加比例，确保添加时标信息后，总的负载不会超过链路带宽的承载能力。
3.测试与验证
实际应用时，时标信息加注设备开机后需要置于户外能够接收到GPS信号的位置，等待GPS校时完成。之后，设备串接在雷达数据传输链路中，实时添加UTC时标信息。当传输链路中串接2台时标信息加注设备时，末端的监测终端可接收雷达数据流，识别出时标信息字段，并根据时标T1、T2的差值，对传输链路的时延情况进行统计分析。
经测试，设备可稳定处理64kbit/s波特率的HDLC协议封装的雷达数据流。
4.结语
本文设计的雷达数据时标信息加注设备，是工程项目的配套设备。实现方案采用主流IC，硬件成本合理，开发风险低，开发周期短。在项目交付时，设备功能完整，能够达到各项技术指标的要求。
参考文献
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