船舶避碰数据处理系统设计方案

1、 东海科学技术学院 毕业论文 and take a brief descriptio n of the developme nt ofAIS tech no logy. It also describes the structure of the AIS,operat ing mode, work features, and the key tech no logies ofAIS. Secon dly, it proposes the AIS-based collisio n avoida nee system,a nd describes the work theory and adva

2、ntages of this tech no logy. Through in troduci ng the the applicati on of typical examples , which highlights the superiority of AIS-based collisio n avoida nee system. Then, according to the AIS-based collision avoidanee system ,it gets the study and research about data process ing system desig n

3、of the avoida nee of ship collisi on. AISbased collisio n avoida nee system impleme nts the various unit circuits , some in terface circuit frames, and DSP for eon trol system an alysis. In additi on ,it also desig ns the appropriate simulati on flowchart, part of the program for writ ing and debugg

4、i ng. Based on AIS of collisio n avoida nee tech no logy, collisio n data process ing system is a mai nly key research content. By eoun ti ng the collisi on of the releva nt parameters, and determi nei ng the safety of the ship. Therefore, data process ing, calculate the collisio n, the flowchart wi

5、ll desig n program is the subject of this article. Fin ally, the vessel collisi on dat Keywords : AIS,Avoidanee of Collision,data analysis, DSP, CPA 目录 摘要I AbstractII 第1章绪论1 1.1引言1 1.2研究背景1 1.3本文的主要工作2 第2章 船舶自动识别系统AIS) 3 2.1 AIS的构成及功能3 2.1.1 AIS 的构成3 2.1.2 AIS 的功能4 2.2 AIS的操作模式4 2.3 AIS的技术特点5 2.4 AI

6、S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8 3.1基于AIS的船舶避碰系统的结构及功能 8 3.1.1基于AIS的船舶避碰系统的结构8 3.1.2基于AIS的船舶避碰系统的功能9 3.1.3基于AIS的船舶避碰系统的方案比较10 3.2数据处理系统方案的确定11 3.3主要模块设计11 3.3.1 DSP和FPGA勺接口设计11 3.2.3接口电路的芯片介绍12 3.4船舶动态信息的数据计算14 3.4.1船舶的碰撞危险15 3.4.2船舶避碰参数的计算15 第4章 流程与部分程序流程设计19 4.1船舶避碰数据处理系统设计的实现19 4.2 DSP读取程序的设计20 4.

7、3初始化程序的设计21 4.4 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

8、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

9、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 上，省去人工操作的那一部分，减小

10、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

11、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

12、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A

13、IS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vAIS) 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，

14、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： (1VHF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； (3GPS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； (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

15、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

16、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

17、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

18、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

19、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。 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

20、。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。 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

21、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（GPSIE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

22、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。 、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。 、简明的安全信息等等。 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 。 ;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（A

23、IS ）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 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入。ECDIS计程仅、罗经、DGPS等外部接口； 7）双

24、通道VHF收发机； 8）基于WINDOW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

25、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AAC

26、S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11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fl、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

27、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

28、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

29、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

30、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

31、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。 图站基于AS*的船舶避碰系统工乍原理框图 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。

32、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

33、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。 （a基于AIS的船舶避碰系统的整体结构框图 （b基于AIS的船舶避碰系统的整体结构框图有 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，从而使 DSP减轻负担

34、，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 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4X4小键盘接口；另外 DSP和FPGA内各模块需要进行通

35、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莫块连接，使得 DSP 处的负载减小了。 由图3.2b ）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

36、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。 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乍为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。 3.3.1DSP和FPGA勺接口设计 在比较了多个系列的FPGA产

37、品后，本设计选取了Cyclone n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，弓I脚数量充裕有160个，可提供100个I /0用户引脚，且I /0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 FPGA EP2C35F672 TMS320VC5402 ) A 其他串口 INT1 k键盘中断口 1 图3.4 DSP和FPGA接口设计图 在上述设计中 AIS信

38、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 3.5a )所示，弓I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0 5V。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

39、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INOIN7上的一路模拟量输入，通道选择如 表1所示。 C B A 通道选择 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 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。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换 结束；否则，表明正在进行

40、A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单 片机输出转换得到的数据。OE= 1，输出转换得到的数据；OE= 0，输出数据线呈高阻状 态。D7- D0为数字量输出线。 CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路， 所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ Vref +）, Vref ）为参考电 压输入。 （4）D/A 模块： 本次设计中，D/A模块经参考后选用 DAC0832来展开设计。DAC0832是双列直插式 8位 D/A转换器，能完成数字量输入到模拟量（电流输出的转换。其引脚如图3.5的V，供电电源为（+5+15V,逻辑电平输入与TTL兼 容。

41、在DAC0832中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的允许锁存信号为 ILE，第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号也称为通道控制信号Xfer。当ILE为 高电平，片选信号 CS和写信号 WR1为低电平时，输入寄存器控制信号为1，这种情况 下，输入寄存器的输出随输入而变化。此后，当/WR1由低电平变高时，控制信号成为低 电平，此时，数据被锁存到输入寄存器中，这样输入寄存器的输出端不再随外部数据DB的 变化而变化。对第二级锁存来说，传送控制信号XFER和写信号 WR2同时为低电平时，二 DAC寄存器中。 级锁存控制信号为高电平，8位的DAC寄存器的输出随输入而变化，此后，当/WR2

42、由低电 平变高时，控制信号变为低电平，于是将输入寄存器的信息锁存到 IN3 IN2 IN4 IN1 IN5 IN0 IN6 A IN7 B 28 27 2612 / 27 25 24 20 Vcc DGND 20 7 D0 Iout1 11 6 D1 Iout2 12 5 D2 4 D3 Rfb 9 16 D4 Vref 8 15 D5 14 D6 ILE 19 13 D7 18 WR2 D 1 0 CS WR1 2 17 Q Xfer GND (b DAC0832 引脚 图3.5 A/D、D/A模块选用的芯片引脚图 3、DSP:C4502 如图3.6所示，本设计中， DSP选用TMS320V

43、C5402作为CPU主要用于 AIS信号接 收、船舶避碰参数运算和系统控制。根据不同的需求，DSP的工作模式是不同的。主要有 微处理模式和微计算机模式这两种模式。工作模式的选择，主要由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。 彗FFF FFFFF mmrm. “卜. OVAXl：i JJIFtSS m r i -= s XI r 占叭r*=C: frSOr g r* l = 京互吕衣石肓二duan己二口二匚才二三才丁朮 m 、 im ths X T

44、EST*、 吐1L0 KILF 时 FflE FflJl Fd迎 HDI HTD HTEU HTNTLjJ njL FFS* H1W EM FIRM埠 mm HINTVETLTI hP.K -Pi： KT INn：EE ; Y:本船北向坐标，单位 （m; V:本船对地航速，单位（m/s ; “ ：本船对地航向，单位 （rad 。 在上式中，船舶的位置 X,Y）由GPS经过信号转换得到，对地航速可由陀螺罗经近似得到。而由这几个参数引起的误差可视为一阶马 尔可夫过程。 在厶t的时间间隔内，我们假定对地航向）为常量。忽然航向偏转的变化会在船舶 定向航行的时候引入近似误差，如下图3.2所示，若在 t时

45、间间隔内，偏航率为恒定， 航速为V,则在回时间间隔内沿航向方向的误差da和与航向方向垂直的误差dc由下式计 算： |15 / 27 在AIS技术标准（ITU-R M.1371规定的数据更新条件下，两次数据更新时间的积累误 差不超过5M这种误差可以被系统忽略不计。 下面是对系统状态方程和观测方程的建立: 系统的状态方程为: 系统的观测方程为: 其中，系统的观测量就是系统的状态量，所以,即为单位矩阵。观测方程可写 为： 对于系统的状态方程，根据以下公式： 可得: 令: 可得状态转移矩阵为: 2、坐标系建立 为了在计算 CPA, TCPA等导航数据时，能够更好的理解，可以通过坐标系的建立来进 行数据

46、的模拟化，所建坐标系如图3.10所示。 北 图3.10中所建立的坐标系是软于10 x模拟坐标系直角坐标系，以本船 I II位置为坐标 原点，正东方向为 x轴的正半轴，正北方向为 y轴正半轴。若本船数据为= ， 则目标船舶数据为x 1 ，则目标船舶的相对速度为： 其中, Xr、yr :目标船舶的相对坐标(即在本坐标系中的位置坐 标 ； Vr :目标船舶的相对速度； Vrx、Vry :相对速度的东向分量和北向分量; 3、TCPA CPA的计算 1)TCPA的计算 两船间距离rt为: 2)CPA的计算 从距离公式分析，可以看出这是一个关于时间t的二次函数，有唯一的拐点。关于t求 导，可得： 在t=T

47、CPA时刻，两船间距离最近。 可知 因 ，有 由公式： 可得对应的最小距离 CPA为： ri 第4章流程与部分程序流程设计 4.1船舶避碰数据处理系统设计的实现 船舶避碰系统的数据处理流程大致可以分为数据接收、数据处理、数据发送三个阶 段，具体的流程如图 4.1基于AIS的船舶避碰数据处理系统流程图所示。 在图4.1中，数据接收包括由 AIS接收到数据和本船提供的数据两部分内容构成。其 中，AIS接收到的数据包括静态数据和动态数据两部分。本船的数据主要包括GPS接收机 接收的位置数据、时间数据、经数字化后的Gyro航向数据以及数字化的Log航速数据等。 为了便于有效的利用硬件资源，提高数据传输

48、的效率，基于AIS船舶避碰系统先对外部的 AIS数据和内部的各传感器数据进行组合，组成标准格式的数据包。针对本文的主要研究 任务，将对基于 AIS的船舶避碰数据处理数据部分进行重点研究。在传输数据后，本船在 接收到其它目标船舶的数据后，进行数据处理，判断出目标船舶是否对本船存在危险，如 果存在，把数据处理结果显示在显示屏上，并直接对目标船舶发出警告；若不存在，则通 过碰撞危险参数 CPA TCPA的计算，判断其它目标船舶与本船发生碰撞的状况，对目标船 舶发出警告，从而达到船舶避碰的目的。 4.2 DSP读取程序的设计 DSP读取部分的设计是相当重要的，其设计的流程图如图4.2所示。引导程序首先

49、从 数据空间 OFFFFH开始处读取以16位数据作为引导表的地址，接着读取引导表的第一个 字，对第一个地址进行读取，并对判断第一地址是否为10AAH进行判断。若第一地址为 10AAH则进入数据空间 16位并行EPROMH导方式；否则对当第一个地址是否为XX08H进 行判断。若为 XX08H则读引导表的第二个字，并当第二个字的地址为XXAAH时，进入数 据空间8位并行EPROM引导方式。若不为 XX08H则返回引导程序，再从数据存储器的 OFFFFH处读取开始相同的流程。 特别要说明的一点是：存储器的数据位宽度可能是是8位，也可能是16位，所以在读 取引导表的第一个字之前，引导程序必须对数据位宽

50、度进行判断。由于地址肯定是16位 的，所以在8位并行EPROIMI导方式检测时，引导程序一定要读取数据存储器的OFFFFH和 OFFFEH这两个地址的内容才能得到正确的引导表地址。先读引导表的第一个字节，其值为 XX08H时，再读引导表的第二个字节。当第二个字节为XXAAH时，则进入 8位并行EPROM 引导方式。 并行引导 从0FFFFH开始读取引导表的地址 读取引导表的第一个字 4.3初始化程序的设计 为了能够使系统正常工作，在系统上电或重新启动后，需要运行初始化程序并对系统 硬件进行配置，主要完成对TMS320VC5402和EPF10K10A进行配置。在 TMS320VC5402引导 完

51、成后，即转入应用程序。在运2tdSP用程取程序流程图须首先运行初始化程序以确定 TMS320VC5402以及其外围接口的运行状态，使TMS320VC5402能够正常的下作。如图4.2 所示，TMS320VC540的初始化需要通过以下几个步骤： 1、 设置系统时间：指的是对 DSP内部时钟进行设置（CLKMD寄存器； 2、设置好软件的等待时间 （SWWSR寄存器 和存储器边界切换控制（BSCR寄存器 ，使DSP 能够正确快速的访问外部存储器； 3、 设置 McBSP 口的工作状态：主要是指对SPCR10, SPCR20, RCR10, RCR20,XCR10, XCR20, SRGR10, SR

52、GR20, PCRO?寄存器进行工作状态设置； 4、 设置 DMA 的工作状态：主要是指对DMSCR#,DMDST#,DMCTR#,DMSFC#,DMMCR#, DMGSA , DMGDA,DMGCR寄存器进行状态设置。 5、 对HPI 口编写程序，用来确定其工作状态：主要是指通过对HPI 口编程，完成对 HPIA, HPID, HPIC寄存器的工作状态设置。 4.4 TCPA、CPA计算子程序的设计 计算目标船舶的避碰参数，是防止船舶避碰的重要手段。如图4.4所示的流程图，可 以分析知：在接收到其它目标船的AIS信息后，通过对动态数据部分的处理后，分别计算 出其它目标船舶的相对位置和相对速度

53、后，主程序转入到TCPA计算子程序，在计算 TCPA 参数后，主程序再转入到 CPA参数的计算子程序。 图4.4 TCPA、CPA计算子程序流程图 本文探讨了基于 AIS船舶避碰数据处理系统。通过模拟该系统能够根据会遇局面进行 判断和分析，确定能否安全通过，进而确定避让责任以及避让方式，最后给船舶驾驶人员 避碰建议并进行避让，直至驶过让清。目标信息的可信度以及通报本船操船意图的通信设 备VHF的局限性是自动避碰研究进程中的瓶颈。AIS的产生可望解决此问题。势必将加快 船舶自动避碰系统的研究进程，对船舶的安全航行起到积极的促进作用，研究基于AIS的 船舶避碰决策具有重大的现实意义。 本课题在研究与撰写过程中遇到了很多从未遇上过的困难。本课题涉及到通信方面的 知识比较多，由于笔者专业知识方面的欠缺，文中难免有些错误或是不足，