【文章內(nèi)容簡介】 面的應用有很大的局限性。另外，為了溝通和了解對方船舶的信息和操船意圖，岸船、船舶之間的通信現(xiàn)在仍然依靠高頻無線電話（VHF）進行通信聯(lián)系。這種通信方式由人工來完成，效率不高，有時還會因為設備操作及語言交流上存在的問題而不能及時溝通和了解對方船舶的信息和操船意圖，造成行動不協(xié)調(diào)，甚至導致海事的發(fā)生。在船舶日益大型化、高速化的今天，海上交通特別是港口水域交通狀況也日益繁忙和復雜?；诶走_及VHF的船舶識別和通訊已日益顯示其局限性，難以滿足未來船舶航行安全的需要，例如：（1）當遇到雨雪、大風浪等惡劣天氣時，雷達的反饋信號可能會受到干擾而出現(xiàn)雜波或丟失目標等問題。AIS盡管在強雷、暴風雨的天氣也可能會受到干擾，但由于其工作原理的不同，受惡劣天氣的影響較雷達來說還是小的多，并且在AIS的覆蓋區(qū)，不會因為目標距離的遠近、大小、形狀而產(chǎn)生信號差異。加之AIS傳輸?shù)男畔⒘枯^大，因而有助于船舶在實施避讓行動前，對目標的識別和對避碰局面的判斷。（2）當船舶行駛于多島礁、航道的彎頭等遮蔽水域時，雷達將肯定無法探測到這些目標，而AIS在這些障礙物的高度不影響無線電波傳輸?shù)那闆r下，仍能發(fā)現(xiàn)目標，這可以使航行于遮蔽水域的船舶及早發(fā)現(xiàn)目標，避免突然出現(xiàn)目標使船舶一下子陷入十分窘迫的局面中，進而提高在該水域中船舶的航行安全。（3）為了提高海上航行安全，避免船舶碰撞，長期以來人們對船舶自動避碰系統(tǒng)進行了大量的研究，但一直沒有完全解決這個問題。AIS能自動、連續(xù)地提供船舶靜態(tài)的和動態(tài)的信息，這可以解決采集目標信息的問題，同時可以快速、準確的建立通信鏈路，加之AIS具有發(fā)送短信息的功能，因而又可將避讓意圖發(fā)給具有碰撞危險的船舶及周圍其他船只，以了解避讓意圖，提高避讓動向的有效性，進而提高船舶的海上航行安全。船舶自動識別系統(tǒng)AIS的出現(xiàn)，為上述問題的解決帶來了新的希望。AIS不僅能夠解決原來雷達所提供的數(shù)據(jù)信息，而且能夠另外提供許多與船舶有關的靜態(tài)信息和轉向率、航跡向等目標動向意圖信息。與自動標繪雷達—ARPA利用雷達作為信息源一樣，可以直接利用AIS信息來完成類似ARPA的功能，且響應時間短精度高。這就是基于AIS的船舶避碰系統(tǒng)。 基于AIS船舶避碰系統(tǒng)的功能利用本船傳感器提供的信息以及由AIS接收機接收到的他船信息，基于AIS的船舶避碰系統(tǒng)可以完成以下主要功能：（1）本船的船位、航向、航速等船舶動態(tài)信息是由安裝在本船的GPS、羅經(jīng)、計程儀等傳感器收集的。為了提高這些信息的可靠性和準確度，可以根據(jù)實際情況，對它們進行濾波處理后，作為本船動態(tài)數(shù)據(jù)進行顯示和傳輸。（2）接受、存儲并顯示他船的靜態(tài)、動態(tài)信息。（3）利用本船的動態(tài)數(shù)據(jù)，再結合AIS接收機接收到的他船的動態(tài)信息，計算出本船與目標之間的相對航向、相對航速等數(shù)據(jù)，進而解算出TCPA、CPA等重要的避碰參數(shù)。（4）計算出的TCPA、CPA等參數(shù)與設定的安全值相比較，若超出設定的數(shù)值，則優(yōu)先顯示危險目標的船名、呼號等信息，并發(fā)出碰撞危險警告，同時了，往危險目標發(fā)送危險告警，即把危險目標的船名、呼號等靜態(tài)信息和危險類型按一定的格式編碼，通過AIS發(fā)送通道廣播發(fā)送。 基于AIS船舶避碰系統(tǒng)的結構。從圖上可以看出，基于AIS的船舶避碰系統(tǒng)主要由通訊模塊、接口電路、控制電路及信息處理模塊等部分組成。天線切換電路TDMA發(fā)送信道TDMA接收信道VHF DSC接收信道GPS接收信道陀螺羅經(jīng)計程儀接口電路信息處理器控制電路信息顯示器VTS等系統(tǒng)接口人機接口（1）通信模塊：針對AIS采用的STDMA技術的特點，通訊模塊包含一個TDMA接收信道和一個TDMA發(fā)送信道。接收信道負責接收其他船舶播發(fā)的動態(tài)、靜態(tài)信息和附加的一些危險告警信息等；發(fā)送信道負責探測存在的空閑時隙，在本船需要播發(fā)信息的時候，選出空閑時隙進行播發(fā)。每個信道的時隙與外部嚴格同步，參考時間是協(xié)調(diào)世界時（UTC）。主要時間來源是GPS時間，但其他來源只要與UTC相關也可使用。另外，通訊模塊還包含了一個VHF DSC接收信道。（2）接口電路：主要是完成信息處理器與外圍設備的連接，包括DGPS、羅經(jīng)、計程儀等傳感器接口以及收發(fā)信道的接口，所有數(shù)據(jù)接口為符合美國國家航海電氣協(xié)會NMEA0183標準的船用導航設備通用接口。傳感器接口將本船的動態(tài)信息轉化成數(shù)字信號輸入信息處理器。本船的動態(tài)信息主要包括對地航向、對地航速及船位等，可分別由GPS/DGPS、羅經(jīng)、計程儀來提供。為了便于信息處理器的處理，信息收發(fā)信道的接口還具有一定的數(shù)據(jù)緩沖功能，可以緩沖鎖存一楨的數(shù)據(jù) 。（3）控制電路：根據(jù)外圍設備的狀態(tài)及信息處理器的指令，控制電路可以控制外圍設備的工作，并把一定的信息反饋到信息處理器。（4）信息處理器：信息處理器是整個系統(tǒng)的核心，配合控制電路，它主要完成以下操作：存儲本船的靜態(tài)信息（如：船名、船長、船型等）和與航行安全有關的信息（如：船舶吃水、危險貨物類型、選用的航線計劃等）；接收接口電路送來的本船動態(tài)信息并進行濾波處理，進一步提高精度和可靠性，然后存儲；將存儲起來的最新的本船動態(tài)信息、必要的靜態(tài)信息和與航行安全有關的信息按標準格式進行編碼送發(fā)射機；對接收到的其它船舶信息進行解碼，并將解碼后的數(shù)據(jù)存儲起來；利用接收到的他船信息和本船信息，解算出TCPA、CPA等避碰參數(shù)，并判斷是否存在碰撞危險；若存在碰撞危險，則判別危險目標，將危險信息集成到發(fā)送的信息中去（危險目標的船名、呼號等），并在本船發(fā)出危險警告；將本船和其它船的航行信息以及危險目標信息送監(jiān)視器顯示出來。（5）信息顯示模塊：監(jiān)視系統(tǒng)運行狀況，顯示各種數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。信息顯示模塊包括一個信息顯示器和IBS、ECDIS等接口，即可以在本系統(tǒng)顯示，又可以通過IBS、ECDIS等接口送往ECDIS、雷達顯示屏等按規(guī)定格式顯示?；贏IS船舶避碰系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程大致可以分為數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送三個階段。本船數(shù)據(jù)主要包括GPS接收機接收的位置數(shù)據(jù)和時間數(shù)據(jù)、經(jīng)數(shù)字化后的Gyro航向數(shù)據(jù)、數(shù)字化的Log航速數(shù)據(jù)等。為了便于有效的利用硬件資源，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，基于AIS船舶避碰系統(tǒng)先對外部的AIS數(shù)據(jù)和內(nèi)部的各傳感器數(shù)據(jù)進行組合，組成標準格式的數(shù)據(jù)包。從接收到的AIS數(shù)據(jù)包中提取的主要信息有：靜態(tài)信息：IMO編碼、呼號和船名；動態(tài)信息：具有精度顯示和完整狀態(tài)的船位、協(xié)調(diào)世界時間（UTC）、對地航向、對地航速、航行狀態(tài)、轉向率；基于AIS船舶避碰系統(tǒng)對接收到的數(shù)據(jù)首先進行分類整理，將接收到的AIS數(shù)據(jù)和本船的數(shù)據(jù)分別提取出來。再對相關數(shù)據(jù)進行濾波處理，提高數(shù)據(jù)的精度和可靠性。利用這些處理后的數(shù)據(jù)進行目標距離、相對航向、相對航速、CPA、TCPA等的解算，并進行遇險判斷。最后把這些數(shù)據(jù)按照通用AIS的標準格式發(fā)送。從本船傳感器提取的信息數(shù)據(jù)主要有DGPS數(shù)據(jù)（包括UTC、經(jīng)緯度等）、Gyro數(shù)據(jù)、Log數(shù)據(jù)等。由DGPS數(shù)據(jù)可以得到船舶對地航向、對地航速、GPS位置信息。由Gyro數(shù)據(jù)還可以得到轉向率，由Log數(shù)據(jù)可以得到航速。對這些數(shù)據(jù)進行濾波處理，可進一步得到更準確、可靠的數(shù)據(jù)。PC處理中心RS485微處理器解調(diào)電路信號輸入入 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總框圖 DSP芯片模塊的設計 AIS的關鍵技術研究 AIS配合全球定位系統(tǒng)將船舶對地的速度、位置、目的地、對地的航向及航向改變率等船舶動態(tài)參數(shù)，和船舶的名稱、類型、呼號、吃水及危險貨物等船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)，由甚高頻頻道向附近水域的船舶及岸臺的廣播，使鄰近的船舶及岸臺能夠及時掌握附近海面所以船舶的動靜態(tài)信息，以便迅速互相通話協(xié)調(diào)，采取必要的避讓行動。 AIS系統(tǒng)的硬件主要由四部分組成：通信模塊：利用甚高頻數(shù)字通信通道轉發(fā)和接收廣播的GPS等船位信息；信號采集部分：將接收到的信息經(jīng)過解碼，轉換位數(shù)字信號； 信息處理部分：采用一個嵌入式微處理器系統(tǒng)，構成整機的控制中心，存儲、更新本船的動靜態(tài)信息，將必要的信息送去發(fā)射，將部分信息送到顯示器；顯示部分：顯示重要的參數(shù)和信息，便于監(jiān)視。 船舶避碰系統(tǒng)整體結構設計 本文是在AIS提供信息的基礎上，采用DSP和FPGA設計船舶避碰系統(tǒng)。其中高速浮點DSP作為AIS數(shù)據(jù)接收、船舶避碰算法和系統(tǒng)控制的微處理器。一塊容量合適的FPGA集成船舶避碰系統(tǒng)所需其他的I／O功能，實現(xiàn)外圍輸入輸出接口如其他串行口、ADC數(shù)據(jù)采集緩存等硬件電路，使部分數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通信的I／O任務由DSP和FPGA協(xié)同承擔，從而使DSP減輕負擔，可以更專注于避碰的復雜算法。FPGA還可以實現(xiàn)液晶顯示接口和鍵盤接口。通常液晶顯示器帶有液晶顯示控制器，可以方便地與微處理器接口連接。液晶顯示接口減少了DSP的外設訪問時間。根據(jù)船舶避碰系統(tǒng)的任務設計了系統(tǒng)整體結構如圖1所示：AIS信息經(jīng)解碼、電平轉換進入DSP串口，由于DSP芯片計算量大，需要存儲擴展。其他傳感器的輸出信號經(jīng)調(diào)理及補償之后，經(jīng)A／D轉換進入FPGA；GPS、雷達等輸出的串行數(shù)據(jù)由DSP通過FPGA內(nèi)串行口采集；系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)則由FPGA內(nèi)的液晶顯示接口送到液晶顯示控制器；為方便系統(tǒng)調(diào)試，在FPGA內(nèi)實現(xiàn)44小鍵盤接口；另外DSP和FPGA內(nèi)各模塊需要進行通信。鍵盤LED模塊其他串行通信模塊FPGADSPAIS信息D/A模塊A/D模塊解碼顯示模塊PC串口 船舶避碰系統(tǒng)整體結構 主要模塊劃分本方案中DSP主要用于AIS信號接收、船舶避碰參數(shù)運算和系統(tǒng)控制。所以選擇C5402作為CPU，它可以根據(jù)需求工作在不同的模式下，主要用MP／MC的電平來決定，當MP／MC為高電平時，DSP工作在微處理器模式，此時接收來自AIS的數(shù)據(jù)，當MP／MC為低電平時，DSP工作在微計算機方式，用于避碰參數(shù)運算和系統(tǒng)控制。 AIS信息的采集AIS信息經(jīng)過鑒頻、解調(diào)電路、RS 485電平轉換以后進入微處理器。此處主要由軟件實現(xiàn)。系統(tǒng)程序包括系統(tǒng)初始化程序、串口中斷程序、數(shù)據(jù)處理程序、數(shù)據(jù)顯示程序等。系統(tǒng)的初始化包括串口初始化、變量定義、文件設置、數(shù)據(jù)庫的生成及處理等；串口中斷程序主要完成AIS數(shù)據(jù)的采集；數(shù)據(jù)處理程序主要完成將AIS輸出的數(shù)據(jù)格式轉換為其他基于AIS信息的系統(tǒng)所需的格式，在數(shù)據(jù)處理過程中必須進行AIS數(shù)據(jù)的校驗判斷，以確保采集數(shù)據(jù)的可靠性；數(shù)據(jù)顯示程序主要完成AIS數(shù)據(jù)的顯示。開始系統(tǒng)初始化采完一幀數(shù)據(jù)正確8位ASC‖轉為6進制碼識別消息ID分配bit二進制轉十進制數(shù)據(jù)計算信息顯示 AIS信息解碼應用程序流程圖 DSP和FPGA的接口設計比較Altera公司的多個系列的FPGA產(chǎn)品，本設計選取CycloneⅡ系列的芯片EP2C35F672。它主要具有以下特性：嵌入式存儲資源支持各種存儲器應用和數(shù)字信號處理(DSP)實施的要求，引腳數(shù)量充裕有160個，可提供100個I／O用戶引腳，且I／O具有三態(tài)緩沖、總線狀態(tài)保持等功能，該芯片由128 MB FLASH內(nèi)存和8 MB SSRAM存儲區(qū)和兩個串口。它可以滿足本系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)采集控制和串行口復用等功能。 DSP INT1 INT0EP2C35F672其他串口鍵盤中斷口數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線 DSP與FPGA的接口設計在上述設計中AIS信息的串口直接接到DSP芯片上，是為了避免直接應用多串行口中斷共享方式可能會不可靠。原因是假如在服務串行口A時上一次檢測過的串行口B發(fā)生了中斷，此時中斷服務程序如果直接退出，則中斷B就未被服務。這種情況下，CPU可能會再次進入中斷服務程序，多次進出中斷必然造成處理器資源的浪費。更糟糕的是退出中斷服務程序時，由于DSP中斷標志位已經(jīng)被清除且DSP中斷引腳保持高電平，此時中斷就不會再被標志，造成中斷死鎖導致外部中斷根本無法繼續(xù)工作。為確保DSP芯片及時接收到AIS信息，為AIS單獨留下專用串口。 DSP和FPGA與其他外圍電路的接口設計船舶避碰系統(tǒng)中設計了基于同一片F(xiàn)PGA上的液晶顯示接口和鍵盤接口，使避碰系統(tǒng)具有更強的功能。鍵盤接口利用FPGA內(nèi)的硬件資源設計，在不影響DSP進行船舶避碰算法運算的條件下，用于船舶避碰系統(tǒng)的調(diào)試和控制。 同時完成了A／D、D／A模塊的接口設計。模擬信號經(jīng)過前置濾波、放大，再通過多路模擬開關和A／D轉換器轉換成數(shù)字信號進入FPGA，A／D、D／。