基于AIS的船舶避碰系统方案研究

　　近年来，随着海上运输业的发展，船舶朝着大型化、快速化、化方向发展，使得海上交通密度加大，航行环境复杂，交通事故不断发生，给社会经济和海洋环境造成了重大损害。根据国外资料统计，每年失事的船舶约200 艘，总吨位数达到120万吨，占世界船队的0.4%左右，其中碰撞事故占到了43%，仅碰撞事故原因中是由于人为因素造成的占到了80%以上，因此研究船舶自动避碰决策系统，逐渐实现航海自动化是保障船舶航行安全的有效措施。船舶自动识别系统（AIS）是一种无人操作的无线电通信系统，能自动的通过VHF广播和接受船舶的动、静态信息，自动进行船岸、船船之间的通信。根据SOLAS 公约的要求，所有300 总吨及以上的国际航行船舶和500 吨级及以上的非国际航行船舶均配备AIS 系统。

　　1 AIS的关键技术研究

　　AIS系统的硬件主要由四部分组成：

　　◆ 通信模块：利用VHF数字通信通道转发和接收广播的GPS等船位信息；

　　◆ 信号采集部分：将接收到的信息经过解码，转换位数字信号；

　　◆ 信息处理部分：采用一个嵌入式微处理器系统，构成整机的控制中心，存储、更新本船的动静态信息，将必要的信息送去发射，将部分信息送显示器；

　　◆ 显示部分：显示重要的参数和信息，便于监视。

　　2 船舶避碰系统整体结构设计

　　本文是在AIS提供信息的基础上，采用DSP和FPGA设计船舶避碰系统。其中高速浮点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I／O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I／O任务由DSP和FPGA协同承担。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A／D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；DSP与FPGA内各模块需进行通信。

　　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C5402作为CPU，它可以根据需求工作在不同的模式下，主要用MP／MC的电平来决定，当MP／MC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MP／MC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。

　　3.1 AIS信息的采集

　　AIS信息经过鉴频、解调电路、 RS 232电平转换以后进入微处理器。此处主要由软件实现。系统程序包括系统初始化程序、串口中断程序、数据处理程序、数据显示程序等。系统的初始化包括串口初始化、变量定义、文件设置、数据库的生成及处理等；串口中断程序主要完成AIS数据的采集；数据处理程序主要完成将AIS输出的数据格式转换为其他基于 AIS信息的系统所需的格式，在数据处理过程中必须进行AIS数据的校验判断，以确保采集数据的可靠性；数据显示程序主要完成AIS数据的显示。其中信息解码的程序流程图如图2所示。

　　3.2 DSP和FPGA的接口设计

　　比较Altera公司的多个系列的FPGA产品，本设计选取CycloneⅡ系列的芯片 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I／O用户引脚，且I／O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所示。

　　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时上检测过的串行口B发生了中断，此时中断服务程序如果直接退出，则中断B就未被服务。退出中断服务程序时，由于DSP中断标志位已经被清除且DSP中断引脚保持高电平，此时中断就不会再被标志，造成中断死锁导致外部中断根本无法继续工作。为确保DSP芯片及时接收到AIS信息，为AIS单独留下专用串口。

　　3.3 DSP和FPGA与其他外围电路的接口设计

　　船舶避碰系统中设计了基于同一片FPGA上的液晶显示接口和键盘接口，使避碰系统具有更强的功能。键盘接口利用FPGA内的硬件资源设计，在不影响DSP进行船舶避碰算法运算的条件下，用于船舶避碰系统的调试及控制。

　　同时完成了A／D、D／A模块的接口设计。模拟信号经过前置滤波、放大，再通过多路模拟开关和A／D转换器转换成数字信号进入FPGA，A／D、D／A模块与DSP的接口电路如图4所示。

　　4  结  语

　　本文研究的内容为基于AIS的船舶避碰系统，涉及到信息的解码过程，利用DSP作为系统的微处理器和FPGA作为接口的扩展与协调，根据接收的信息，进行船舶避碰算法的运算。