DSP中的基于AIS的船舶避碰系统方案研究
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2020-10-23
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DSP中的基于中的基于AIS的船舶避碰系统方案研究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、专业化方向发展，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
近年来，随着海上运输业的发展，船舶朝着大型化、快速化、专业化方向发展，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。
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