船舶避碰数据处理系统设计方案.doc

东海科学技术学院 毕 业 论 文<设计）题 目： 船舶避碰数据处理系统设计 系 ： 机电系 学生姓名：专 业： 电子信息工程 班 级：指导教师：起止日期：2船舶避碰数据处理系统设计杨斌浙江海洋学院东海科学技术学院 机电系 浙江舟山 316004摘要随着航海技术的快速发展，船舶避碰的处理方式也在不断进步。但是船舶碰撞事故还是层出不穷屡屡发生。这对人类的财产和生命造成了严重危害。因此，为了防止航海事故的发生，对船舶信息进行及时分掌握和准确处理是相当重要的。本文在基于AIS技术的基础上，展开了船舶避碰数据处理系统的设计。本文首先介绍了船舶避碰技术的研究背景，提出了一些船舶避碰的方法，如常用的无线电通信设备，如船载雷达、VHF电台等。比较这些设备、技术的优缺点，提出了船舶自动识别系统<AIS）的概念，对AIS技术的发展状况进行了简单描述。此外，还介绍了AIS的结构功能、操作模式、工作特点等知识，展开对AIS的关键技术的研究。其次，提出了基于AIS的船舶避碰系统。介绍了该系统的结构特点、工作原理及优点。通过典型的应用举例，强调了基于AIS的船舶避碰系统的优越性。接着，在学习和研究AIS系统的基础上，提出了船舶避碰数据处理系统的设计方案。对基于AIS的船舶避碰系统进行了各单元电路及其接口电路的设计，并以DSP为核心部分，进行了整个控制系统的分析，并设计了相应的仿真程序流程图。船舶避碰数据处理系统在基于AIS的船舶避碰技术的基础上，主要对船舶信息的数据处理部分展开了重点研究。通过计算船舶避碰的相关参数，来判断船舶的安全性。因此，掌握数据处理方式，计算避碰参数，设计程序的流程图将是本文主体的研究内容。最后，对船舶避碰数据处理系统的设计进行了总结，并对未来船舶避碰数据处理的发展情况进行预测。 关键词：AIS,避碰，数据处理,DSP,CPAAbstractWith the fast development of marine technology, the technologies of avoidance of collision is also improved. However, the ship collision crashes frequently occur. That caused serious harm for human life and property.Therefore, in order to prevent these sailing accidents, the vessel information timely and accurately processed by master is very important. This article is based on AIS technology, expands the design of collision data processing system. Firstly,this paperintroduces the research background of the ship collision avoidance technology,and puts forward some collision avoidance methods that we commonly used in radio communication equipments, such as navigation radar, VHF radio, etc. By compareing the technical advantages and disadvantages of these equipments or technologies,we propose theconcept of automatic identification system (AIS> and take a brief description of the development ofAIS technology. It also describes the structure of the AIS,operating mode, work features, and the key technologies ofAIS. Secondly, it proposes the AIS-based collision avoidance system,and describes the work theory and advantages of this technology. Through introducing the the application of typical examples , which highlights the superiority of AIS-based collision avoidance system. Then, according to the AIS-based collision avoidance system ,it gets the study and research about data processing system design of the avoidance of ship collision. AIS-based collision avoidance system implements the various unit circuits , some interface circuit frames, and DSP for control system analysis. In addition,it also designs the appropriate simulation flowchart, part of the program for writing and debugging. Based on AIS of collision avoidance technology, collision data processing system is a mainly key research content. By counting the collision of the relevant parameters, and determineing the safety of the ship. Therefore, data processing, calculate the collision, the flowchart will design program is the subject of this article. Finally, the vessel collision datKeywords：AIS,Avoidance of Collision,data analysis, DSP, CPA目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 引言11.2 研究背景11.3本文的主要工作2第2章 船舶自动识别系统<AIS）32.1 AIS的构成及功能32.1.1 AIS的构成32.1.2 AIS的功能42.2 AIS的操作模式42.3 AIS的技术特点52.4 AIS的典型应用6第3章 船舶避碰数据处理系统的方案与硬件设计83.1基于AIS的船舶避碰系统的结构及功能83.1.1 基于AIS的船舶避碰系统的结构83.1.2 基于AIS的船舶避碰系统的功能93.1.3 基于AIS的船舶避碰系统的方案比较103.2 数据处理系统方案的确定113.3 主要模块设计113.3.1 DSP和FPGA的接口设计113.2.3 接口电路的芯片介绍123.4船舶动态信息的数据计算143.4.1 船舶的碰撞危险153.4.2 船舶避碰参数的计算15第4章 流程与部分程序流程设计194.1船舶避碰数据处理系统设计的实现194.2 DSP读取程序的设计204.3 初始化程序的设计214.4 TCPA、CPA计算子程序的设计22小 结23致 谢24【参考文献】25第1章 绪论1.1 引言随着航海技术的进步，海上运输量越来越大，船舶航行密度增大，导致了财产和生命损失的严重后果。为了避免船舶在海上航行时的碰撞，保证船舶的航行安全性是解决船舶避碰的关键。因此，研究相关船舶避碰技术，掌握和分析海上其它船舶的静态信息、动态信息是至关重要的事情。AIS技术的使用，不仅有助于提高船舶航行的安全性和效率外，还可以加强对海洋环境的保护。AIS技术的强大功能，使得该技术受到越来越国家的关注。目前无论是国内还是国外，AIS技术都得到了广泛的应用。为了更好地解决船舶避碰这个问题，本文展开了基于AIS的船舶避碰数据处理系统的设计。通过对船舶数据的处理，以及碰撞危险参数的计算，从而进行船舶遇险判断，是做好船舶遇险预测工作的重要过程，也是船舶安全航行的保证。1.2 研究背景关于对船舶避碰技术的研究，经历了多个发展阶段。在二十世纪五、六十年代，西欧国家首先提出了船舶避碰问题，并对船舶避碰数据处理问题展开了理论上的初步研究。在二十世纪九十年代初，主要通过运用船载雷达和甚高频<VHF）设备来处理船舶避碰问题，并且对这些设备的应用已达到成熟阶段。但是，由于这两种避碰技术自身存在着的性能缺陷和局限性，如雷达设备非常容易受天气因素的影响不能识别其它船舶的船名和国籍等，VHF设备有着不可避免的人为操作影响，用起来效率不高。这使得对雷达和VHF设备的性能无法做出更近一步的研究。在二十世纪九十年代，欧美一些发达国家开始着手对船舶自动获取信息以及航行状态相关技术的研究，特别在AIS技术方面做了大量的研究工作和实验。经过这半个世纪的研究和探索，随着自动识别系统<AIS）技术的出现，船舶避碰技术有了突破性的进展。AIS技术作为一项最新的船舶技术，在众多的欧美国家尤其是在欧洲国家得到了快速发展。近几年，随着AIS技术从理论研究阶段到实用阶段的跨越，AIS技术的应用越来越来越多。目前，AIS技术在船舶交通管理<VTS）的自动监测和识别以及船舶避碰这两方面有着非常广泛的应用。对于VTS，当船舶一进港，VTS的就可以自动收到船舶的AIS信息，如船名、位置、航向、航速，将其动态标绘在电子海图显示和信息系统(ECDIS>上，省去人工操作的那一部分,减小人为因素带来的数据误差和影响。对于船舶避碰，AIS信息除了能提供高精度的航行数据外，还可以提供其它目标船舶的操作意向，这就非常有利于船舶的避让操作。在欧洲，瑞典是AIS技术的发源地，已有相当多的公司推出了完整的AIS船用设备和岸基设备。我国的航海技术水平相对于欧美国家，差距还是比较大的。因此，设计出高质量的船舶避碰数据处理系统为我国的船舶避碰技术的开发奠定了基础。我国经济的快速增长，为研发中国自己的船舶避碰技术提供了良好的条件。现阶段，我国有众多从事国际航运船舶的相关技术人员，通过学习国外先进技术和船舶避碰数据处理知识，研究分析AIS的使用技术，力争研制开发国产高质量AIS设备，建立更高效的VTS是目前中国国内对AIS技术的高要求。在船舶运输日益大型化、高速化的同时，海上交通状况也日益复杂、繁忙。基于雷达技术和VHF技术的船舶自动识别和通讯己很难满足未来的需要，这就迫切要求有新的船舶避碰技术来满足这些需要。AIS技术作为一项在理论上已趋于成熟的新兴船舶避碰技术，研究基于AIS的船舶避碰技术，给船舶避碰问题带来了新的希望。1.3本文的主要工作本文的目的是实现基于AIS船舶避碰数据处理系统的设计。因此，论文的主要工作集中在以下几个方面：1、介绍了AIS的典型应用和工作原理。本文要做的主要是设计一套用于船舶避碰的AIS数据处理系统。所以我们首先介绍了AIS的技术原理与工作过程，为后文的进行做好准备。2、介绍了船舶避碰技术的研究背景，提出了一些处理海上碰撞问题时常用的无线电通信设备，如导航雷达、VHF电台等。通过比较这些设备、技术的优缺点，提出了船舶自动识别系统<AIS）的概念，并对AIS技术的发展状况进行了简单描述。此外，还介绍了AIS的结构功能、工作模式、工作特点等知识，展开对AIS的关键技术的研究。3、分析基于AIS的船舶避碰系统。介绍了该系统的结构特点、工作原理及优点。通过典型的应用举例，强调了基于AIS的船舶避碰系统的优越性。4、在学习和研究AIS系统的基础上，提出了船舶避碰数据处理系统的设计方案。对基于AIS的船舶避碰系统进行各单元电路及其接口电路的设计，并以DSP为核心软件，进行控制系统分析。此外，还设计了相应的仿真流程图。在基于AIS的船舶避碰技术的基础上，主要对船舶信息的数据处理部分展开了重点研究。在实践的过程中，通过模拟接收AIS信息数据，计算船舶运动参数，根据会遇形势计算碰撞危险度并给出避碰建议，如CPA、DCPA等值，用来判断船舶的安全性。第2章 船舶自动识别系统<AIS）2.1 AIS的构成及功能AIS技术是针对航海避碰技术而提出的一项新技术。该技术集自动化和智能化于一身，给船舶避碰数据处理系统的的设计提供了理论基础。现阶段，AIS技术处在理论基础比较成熟的阶段，由于其显著的功能结构特点，对它的应用也已经从理论阶段换到了实际运用阶段。2.1.1 AIS的构成AIS主要是由通信模块、信息收集模块、信息处理模块及信息显示模块构成。可以将AIS的所有构成模块大致地分成硬件构成部分和软件构成部分。 AIS的硬件构成部分可由四部分组成,如图2.1所示：(1>VHF数字通信通道:主要用于转发和接收广播的GPS等其它船位信息；(2>信息处理与控制器:内部装有嵌入式微处理器系统，是全机的控制中心；(3>GPS接收机:能为船舶提供相关的运动参数以及精确的时间基准；(4>船桥设备接口:主要用于船舶信息的收集和输出。GPSVHF AIS收发机 显示终端电源传感器数据报警2.1 AIS的硬件构成 AIS的软件构成部分由三个部分组成：(1）网络软件:根据国际电联提出的技术标准，控制和组织无线数字通信网的运行；(2）系统控制软件:控制AIS的各部分来协调工作；(3）接口软件:提供接口信息处理和控制功能1。2.1.2 AIS的功能AIS的目的是实现在一定范围内所有安装无线电应答器的船舶之间都能相互“看得见”。船舶之间“看得见”，意味着不须人为介入便能够连续交换重要的航行数据，其中最重要的数据包括船名、船籍、船位、船速、航向等。只有当这些信息可自动、连续地传送给所需船舶，AIS才可称为无线电自动识别系统2。从AIS的目的中我们可以看出，它为船舶航行的安全性和可靠性提供了保障，是一项功能强大、新型的航海技术。 从图2.1的AIS硬件构成中可见每艘船都安装了AIS收发机，起着接收信息和发送信息的重要作用。在船舶即将遇险的状况下，本船可以通过AIS收发机，将自己的航行信息发送给其它航行中的船舶，并接收周围其它目标船舶发送来的航行信息。通过对所接收信息的及时处理，就可避免船舶在海上的碰撞事故。现在对AIS的具体功能阐述如下：<1）AIS能较好地解决船舶交通管理系统<VTS）中存在的船舶自动识别问题。由于VTS目前主要观测对象是雷达和VHF设备，而这些设备自身的局限性又给船舶的自动的识别带来了麻烦。VTS在处理它们所提供的信息时，会花费比较多的时间，这就给船舶的及时危险判断带来了困难，提高了船舶的碰撞概率。相反的，AIS是集自动化和智能化的系统，能够快速而又有效地进行船舶自动识别，这就给VTS的工作减轻了不少负担。<2）AIS能够满足船舶避碰通信过程中对船舶识别的需要。目前，在处理船舶避碰问题中时广泛使用的无线电通信设备是VHF电台。由于VHF无法自动获取其它目标船舶标识，所以在实际应用中难以在本船进行实际操作前与其它船舶达成避碰协议。此外，VHF也有可能造成时间延误的紧迫局面，给船舶的航行安全性和可靠性造成威胁。而AIS的快速反应，降低了船舶碰撞的可能性。<3）AIS为船舶航行提供了新的观测手段。目前，雷达是船舶使用的主要观测手段。但是由于雷达自身存在的缺陷<如只能提供船位和速度信息，并容易受到天气、地形等环境因素的影响），使得雷达的使用非常有局限性，这也该船舶避碰带来了技术难点。随着AIS的出现，AIS除了能提供船位和速速信息外，还能提供船舶的航行状态、船名、呼号、船长和吃水等大量船舶动态和静态信息。此外，AIS还不易受到环境因素的干扰。<4）AIS能将海上通信连接到计算机数字通信网络，实现了船舶与计算机之间的动态联网。这样不但可以实现船舶和船岸之间的数字通信，提高通信效率，在一定程度上解决了船舶在海上通信时遇到的语言障碍。<5）AIS提供了新的航海技术发展平台。利用所建立的计算机数字通信网络和信息，我们可以开发出更多的新型应用，用来进一步解决船舶信息交换、操作、避碰、控制和监视等领域存在的问题。2.2 AIS的操作模式AIS系统是通过VHF数字通信通道将船舶信息发送给周围的其它目标船舶，以实现船舶的自动识别和监视。通过了解AIS的操作模式，可以更好地理解AIS的性能。AIS可以在3种不同的通信模式上进行工作:自主连续模式，指配模式和轮询模式。在没有特殊情况下， AIS会默认选择自主模式进行工作。<1>自主连续模式在该操作模式下，由电台决定本船数据的发射时间表，并可自动解决与其它电台的时间冲突。该操作模式可在任何区域内工作，可自动进行操作。当船舶在海上航行时，AIS会自动接收和发送船舶的状态信息，包括动态数据和静态数据。船载AIS应答器通过监控两个专用AIS频道，利用可分配到的空闲时隙来发送这些信息。VHF电波覆盖范围内的船载AIS可以接收到这些信息。广播和数据的更新率取决于船舶的航速和航向改变的快慢。<2>指配模式在该操作模式下，电台会利用管辖机构的基站或转发站来决定本船数据的发射时间表。该操作模式适用于VTS所管辖的海区，由VTS来决定数据的发送间隔和时隙。当船舶在船舶密集的沿岸区域航行时，VTS根据通信链路的负载情况或其他特殊情况，通过基站控制该区域的船舶工作于指配模式，使用VTS的基站来指配数据发送时间表。该模式适用于两个AIS频道之间的交替工作，它只对电台发射位置报告起作用，对电台的其他操作没有任何作用。（3) 轮询模式在轮询操作模式下，电台能够响应其它电台或者是基站的询问，自动响应来自船舶或主管部门的询问电文，该操作模式与其它两种操作模式没有任何的冲突。2.3 AIS的技术特点AIS配合全球定位系统(GPS>能够将船舶对地速度、船位、目的地、对地航向和航向改变率等船舶动态数据，以及船名、船型、呼号和吃水情况等船舶静态数据由VHF频道向附近水域的船舶及岸台广播，使邻近船舶及岸台能及时掌握附近海面所有船舶的动态、静态信息，进行船舶之间的快速通信，从而采取有效的船舶避碰手段。下面分别从AIS的工作特点、传输的状态信息、技术特点等几方面的内容对AIS的技术特点进行描述：<1）工作特点：在所有区域内自主和连续工作；由海事管理部门的交管监视中心指配工作信道和模式，以便主管部门控制数据传输的间隔和时隙；数据的传输响应来自于船舶或主管部门的问询，有轮询和受控两种模式。<2）传输的状态信息：AIS传输的状态信息包括动态信息和静态信息两个方面。其中，动态信息有船位、国际协调时、对地航向、对地航速、航迹向、航行状态、转向率、横倾角(选用项>、纵倾和横摆(选用项>。静态信息有IMO编码、船名、船型、呼号和船的长度和宽度、定位天线在船上的位置。<3）传输的其它航行相关信息：船舶吃水情况、装载货物类型、目的港和预计到达时间、航行计划(选用项>、简明的安全信息等等。<4）技术特点：AIS采用OSI ( Open Systems Interconnection>的工作模型，无线传输的带宽为25kHz或12.SkHz(见ITU-RM.1084 >，采用GMSK调制方案，数据编码为NRZI方式，数据传输的比特率为9600bit/s。<5）AIS的功能特点：与DSC兼容允许访问GMDSS A1海区的海岸站台；允许提供简单的GMDSS A1海区的雷达目标确认；提供了一种AIS信道管理的方法。与12.5KHz窄带信道兼容提供了一种新的AIS信道的方法；符合窄频带前向纠错的发射需要；与当前的25KHz宽带系统相兼容。与双工信道兼容协助双工的海岸基站的信号转发；可提供一个半径为100海里的广域覆盖：在广域网覆盖的区域，允许船载的自组织的无错的AIS无线应答器发射信号；协助访问岸站的服务中心和数据库：NOAA PORTS数据(潮汐、洋流、天气等>；国家气象服务中心(图像和文本信息>；港口管理服务中心(引水机构，港口代理，港务局，海上运输的中转机构等等>2。2.4 AIS的典型应用由于船舶自动识别系统(AIS）自身的突出优点，是未来航海运输主要运用的避碰技术。它对航运安全有着重要影响，保证着海上运输的顺利。针对AIS系统，预计未来将在很多方面会得到进一步的发展。1、AIS和VTS船舶交通管理系统<Vessel Traffic Service System VTS>是由分道通航制和其他船舶定线制系统结合而成，该系统的职能是为提高船舶交通安全及效率和保护海上环境提供服务。将AlS引入VTS后，就能实现在船舶交通管理系统的控制和管理的区域内，自动显示航行船舶的船名和动、静态信自、，使VTS的识别更加可靠、快速，大大提高对船舶的跟踪能力2。2、AIS和ECDIS电子海图显示和信息系统<Electronic Chart Display and Information SystemECDIS>也是一种新的助航系统。将AIS的数据信息增入ECD1S中，可使船舶在航行中对电子海图上的其它船舶的信息一目了然，其结果对海上航行、安全、商业都有重大影响。其它典型应用还有AIS和综合船桥系统IBS和基于无线局域网络(LAN>技术的AIS。总之，AIS系统对现在对未来的船舶航运起着非常重要的作用，它的应用在未来是对船舶避碰技术的重要辅助2。3、船站型AIS船舶避碰系统船舶使用的ABAAS具有如ABAAS最基本的功能特点:1）本船动态信息的收集，并与静态信息组合，按AIS数据格式编码发送；2）接收、处理、存储并显示他船的静态、动态信息；3）解算TCPA, CPA等避碰参数，并判断碰撞危险，播发危险告警；4）可以使用点对点方式(DSC兼容>和广播方式播发信息；5）6/12通道差分GPS ( DGPS>输入。ECDIS、计程仅、罗经、DGPS等外部接口；7）双通道VHF收发机；8）基于WINDOWS界面的配置软件2。2、VTS中心基站型的AIS船舶避碰系统AIS船舶避碰系统的另外一种重要应用是应用在VTS中。传统的VTS中心是用岸基雷达捕捉到的目标信息、，并利用的VHF-DF人下船位报告方式识别船只，进行船舶的动态管理。这种模式获得的信息有限，精度低，操作费时，而且容易出现误操作。另外，因为要对所有的目标进行处理，所以计算量非常大。例如，假设现在有n艘船舶在港口范围内，若我们把两船之间的避碰数据计算计为一次的话，那么计算完全部的n艘船需要的计算次数n为:在基于AIS的船舶避碰系统的新型VTS中，VTS中心获得的信息量大，信息精度高，还能够实现船舶的自动识别。重要的是，避碰数据的计算可以由每艘船舶自己完成，单船则只需要计算(n一1>次。其计一算结果都通过AIS系统传输到VTS中心，从而一可以是VTS中心从繁重的计算中解脱出来，以便更好的完成管理服务职能。另外，对于两艘船舶之间的避碰数据，由两艘船舶分别计算，这也增加了信息的可靠性，提高了冗余度。由于现阶段IMO并非要求所有的船舶都安装AIS，没有安装的船只还需要利用雷达来搜索目标。所以VTS中心基站型AACS仍要具有“雷达信息播报”功能。在这项功能中，没有安装AIS设备的船舶被VTS中心的雷达探测后，由人工进行识别，然后通过VTS中心基站型AACS系统播发出去。对于VTS来说，还应具有协助海上搜寻一和求助的功能。当一船遇险时，即通过AIS设备发送遇险信给总机如:台位、船名、呼号、遇险类型等。若时间允许，还可以利用AIS的短消息功能发送更力l1详细的遇险信府、必遇险原因、自救情况、月尔伏况、需要求助情况等>。VTS中自基站型船舶避碰接收到这些洁f1、后，就能够快速找到离遇险地J点最近的船舶，从而提高了海上搜寻和救助工作的效率此外，基站型ARCS还可以向在服务范围内的哈舶发送包括水文、气象等的港信息，从而更好的实现VTS的替理与服务功能2。第3章 船舶避碰数据处理系统的方案与硬件设计3.1基于AIS的船舶避碰系统的结构及功能在了解了基于雷达和VHF等船舶避碰技术的局限性后，我们可以知道这些技术无法彻底地保证航海的安全性。为了实现船舶海上航行的安全性，所以必须要有更好的船舶避碰技术来支持，而这些技术的主要任务就是能对其它船舶目标进行识别和危险判断。因此，本节展开了对基于AIS的船舶避碰技术进行了介绍，描述了基于AIS的船舶避碰系统的结构工作原理及功能。3.1.1 基于AIS的船舶避碰系统的结构如图3.1基于AIS的船舶避碰系统工作原理框图所示，基于AIS的船舶避碰系统主要由通信模块、接口电路模块、控制电路模块、信息处理模块以及信息显示模块等部分组成，下面将对这些模块进行详细介绍。1） 通信模块针对AIS采用的STDMA技术的特点，通讯模块包含一个TDMA接收信通和一个丁TDMA发达信道。接收信道负责接收其他船舶播发的动态、静态信息和附加的一些危险告警信息等；发送信道负责探测存在的空闲时隙，在本船需要播发信息的时候，选出空闲时隙进行播发。每个信道的时隙与外部严格同步，参考时间是协调世界时(UTC>。主要时间来源是GPS时间，但其他来源只要与UTC相关也.可使用。另外，考虑到在现阶段需要和DSC设备兼容，通讯模块还要包含了一个VHF DSC接收信道。2） 接口电路模块主要是完成信自、处理器与外围设备的连接，包括DGPS、陀螺罗经、计程仪等传感器接口以及收发信道的接口，所有数据接口为符合美国 国家航海电气协会NMEA-0183标准的船用导航设备通用接口。传感器接口将本船的动态信息转化成数字信号输入信息处理器。本船的动态信息主要包括对地航向、对地航速及船位等，可分别由GPSIDGPS,罗经、计程仪来提供。为了便于信息处理器的处理，信息收发信道的接口还具有一定的数据缓冲功能，可以缓冲锁存一祯的数据。3） 控制电路模块根据外围设备的状态及信息处理器的指令，控制电路可以控制外围设备的工作，并把一定的信息反馈到信息处理器。4） 信息处理器模块信息处理器是整个系统的核心，配合控制电路，它主要完 成以下操作:存储本船静态信息(如，船名、船长、船型等>和与航行安 全有关的信息(如:船舶吃水、危险货物类型、选用的一航线计划等>；接收接口电路送来的本船动态信息并进行滤波处理，进一步提高精度和可靠性，然后存储；将存储起来的最新的本船动态信息、必要的静态信息和与航行安全有一关的信息按标准格式进行编码送发射机；对接收到的其它船信息进行解码，并将解码后的数据存储起来；利用接收到的他船信息和本船洁息，解算出CPA,TCPA等避碰参数，并判断是否存在碰撞危险；若存在碰撞危险，则判别危险口标，将危险信息集成到发送的信息中去(危险目标的船名、呼号等，并在本船发出危险警告；将本船和其它船舶的航行信息、以及危险目标信息送至监视器，显示具体的结果。5） 信息显示模块监视系统运行状况，显示各种数据和状态信息。信息显示模块包括一个信息显示器和旧S, ECDIS等接口，即可以在本系统显示，又可以通过旧S, ECDIS等接口送往ECDIS、雷达显示屏等按规定格式显示。天线切换功能TDMA发送信道TDMA接收信道VHF DSC接收信道接 口 电 路GPS接收信道计程仪陀螺罗经信息处理器控制电路信息显示器VTS等系统接口人机接口图3.1 基于AIS的船舶避碰系统工作原理框图3.1.2 基于AIS的船舶避碰系统的功能利用本船传感器提供的信启、以及田AiS接收机接收到的他船信息，基于AIS的船舶避碰系统可以完成以下主要功能：1）本船的船位、航向、航速等船舶动态洁息是由安装在本船的GPS,罗经、计程仪等传感器收集的为了提高这些信息的可靠性和准确度，可以恨据实际情况，对它们进行滤波处理后，作为木船动态数据进行显示和传端。2）接收、存储并显示他船的静态、动态信息:3）利用本船的动态数据，再结合AIS接收机接收到的他船的动态信息，计算出本船与目标之间的相对航向、相对航速等数据，进而解算出丁CPA,CPA等重要的避碰参数。4）计算出的丁CPA, CPA等参数与设定的安全值相比较，若超出设定的数值，则优先显示危险目标的船名、呼号等信息，并发出碰撞危险警告。同时， 往危险目标发送危险告警，即把危险目标的船名、呼号等静态信息和危险类型按一定的格式编码，通过AIS发送通道广播发送。3.1.3 基于AIS的船舶避碰系统的方案比较本文的目的是为了实现基于AIS的船舶避碰数据处理系统方案的设计。因此，在设计整体方案时，对AIS船舶避碰系统的结构进行设计是关键步骤之一。图3.2中所示的是两种基于AIS的船舶避碰系统的结构框图。AD模块其他传感器DA模块键盘AIS信息DSPLCD模块其他串行通讯模块内存扩展模块鉴频、解码(a> 基于AIS的船舶避碰系统的整体结构框图AD模块其他传感器DA模块键盘AIS信息DSPFPGALCD模块其他串行通讯模块内存扩展模块鉴频、解码(b> 基于AIS的船舶避碰系统的整体结构框图<有FPGA）图3.2 基于AIS的船舶避碰系统的整体结构框图为了采用DSP和FPGA进行船舶避碰数据系统的设计。DSP作为AIS数据接收、船舶避碰算法和系统控制的微处理器。一块容量合适的FPGA集成船舶避碰系统所需其他的IO功能，实现外围输入输出接口如其他串行口、ADC数据采集缓存等硬件电路，使部分数据采集和数据通信的IO任务由DSP和FPGA协同承担，从而使DSP减轻负担，可以更专注于避碰的复杂算法。FPGA还可以实现液晶显示接口和键盘接口。通常液晶显示器带有液晶显示控制器，可以方便地与微处理器接口连接。液晶显示接口减少了DSP的外设访问时间。根据船舶避碰系统的任务设计了系统整体结构如图1所示：AIS信息经解码、电平转换进入DSP串口，由于DSP芯片计算量大，需要存储扩展。其他传感器的输出信号经调理及补偿之后，经AD转换进入FPGA；GPS、雷达等输出的串行数据由DSP通过FPGA内串行口采集；系统输出数据则由FPGA内的液晶显示接口送到液晶显示控制器；为方便系统调试，在FPGA内实现4×4小键盘接口；另外DSP和FPGA内各模块需要进行通信。3.2 数据处理系统方案的确定从图3.2的结构框图中可以看出船舶避碰系统整体结构设计是在AIS提供信息的基础上。之所以设计<a）和<b>两种结构方案，是为了进行方案的比较和选择。在<a）中，可以发现A/D模块、D/A模块、内存扩展模块等众多模块连接在了DSP模块上，这使得DSP的负载和工作量大大增加，可想而知DSP的工作效率就会大大降低。在<b）中，可以发现多了FPGA模块，并且把键盘、串行通信模块、传感器等连接到了FPGA模块连接，使得DSP处的负载减小了。由图3.2<b）避碰系统采用含有FPGA芯片的结构，DSP芯片只要处理来自AIS经过鉴频和解码的信号和来自FPGA芯片的接收后的信号即可，确定相应的数据处理系统结构如图3.3所示，处理后的数据根据CPA、TCPA的值输出所要显示的数据，并且确定是否报警。AISDSPFPGA报警显示图3.3 数据处理系统结构框图3.3 主要模块设计本方案中DSP主要用于AIS信号接收、船舶避碰参数运算和系统控制。所以选择TMS320VC5402作为CPU，它可以根据需求工作在不同的模式下，主要用MPMC的电平来决定，当MPMC为高电平时，DSP工作在微处理器模式，此时接收来自AIS的数据，当MPMC为低电平时，DSP工作在微计算机方式，用于避碰参数运算和系统控制。3.3.1DSP和FPGA的接口设计在比较了多个系列的FPGA产品后，本设计选取了Cyclone系列的里的一块芯片EP2C35F672。它主要具有以下特性：嵌入式存储资源支持各种存储器应用和数字信号处理(DSP>实施的要求，引脚数量充裕有160个，可提供100个IO用户引脚，且IO具有三态缓冲、总线状态保持等功能，该芯片由128 MB FLASH内存和8 MB SSRAM存储区和两个串口。它可以满足本系统所需的数据采集控制和串行口复用等功能。接口电路如图3.4所示。DSP <TMS320VC5402） INT1 INT0FPGA<EP2C35F672）其他串口键盘中断口图3.4 DSP和FPGA接口设计图在上述设计中AIS信息的串口直接接到DSP芯片上，是为了避免直接应用多串行口中断共享方式可能会不可靠。原因是假如在服务串行口A时上一次检收到AIS信息，为AIS单独留下专用串口。3.2.3 接口电路的芯片介绍1、 A/D模块：在A/D模块中，参考选用ADC0809进行设计。如图3.5<a）所示，引脚中IN0IN7为8条模拟量的输入通道，其中，输入的模拟量要求信号单极性，电压范围是05V。若输入的信号太小，必须进行信号放大，输入的模拟量在转换过程中应该保持不变。如果模拟量变化太快，在输入前需要增加采样保持电路。ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入，通道选择如表1所示。CBA通道选择000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7表1 ADC0809的模拟输入通道选择表ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EO