基于ARM的B類AIS基帶信號處理

馬龍俊, 張小龍， 林長川

(集美大學 航海學院， 福建 廈門 361021)

基于ARM的B類AIS基帶信號處理

馬龍俊, 張小龍， 林長川

(集美大學 航海學院， 福建 廈門 361021)

采用CMX7042調制解調芯片，結合嵌入式微處理器(Advanced RISC Machines,ARM)技術，對B類船舶自動識別系統(Automatic Identification System,AIS)載波偵測時分多址(Carrier-Sense Time Division Multiple Access,CSTDMA)通信方式的基帶信號接收和打包及數據傳輸進行軟硬件設計。實際測試結果表明:所設計的軟硬件的數據接收和傳輸符合設計要求，對B類AIS進行的開發和研究具有實際參考價值。

船舶工程;船舶自動識別系統；基帶信號；嵌入式；CMX7042芯片

Abstract: An embedded class B Automatic Identification System(AIS) baseband signal processor with Carrier-Sense Time Division Multiple Access(CSTDMA) based on CMX7042 modem chip and Advanced RISC Machines(ARM) is designed for receiving/transmitting the message and packaging/unpacking the data. The hardware and software design and their implementation are described. The test results are presented, which proves that the design is good for its purpose.

Keywords: ship engineering; AIS; baseband signal; embedded; CMX7042 chip

為增強對目標船舶的識別能力、防止與他船發生碰撞，越來越多的船舶開始配備船舶自動識別系統(Automatic Identification System，AIS)。此外，海事管理部門通過船舶與岸臺間AIS信息的交換，不僅能完成對所管轄水域內所有安裝AIS船舶的監管，還能更好地提高其海上搜救能力。

內河航行的中小型船舶主要選用B類AIS設備，其有自組織時分多址(Self-Organizing Time Division Multiple Access，SOTDMA)和載波偵測時分多址(Carrier-Sense Time Division Multiple Access，CSTDMA)兩種通信方式。雖然AIS在我國已較為普及，但技術還不成熟、穩定性不高,很多產品還是采用國外的技術。對此,開展AIS基帶信號的相關研究，并針對實際應用需求對B類AIS的CSTDMA基帶收發信機進行設計。[1]

目前大多數AIS都將單片機作為主控制器，存在處理速度慢、性能不穩定等缺點。而嵌入式微處理器(Advanced RISC Machines, ARM)具有性能高、成本低和易升級等優點,逐漸成為各類通信設備的主控制器，可為信息數據采集與傳輸技術的發展和應用提供更為優質的硬件條件。[2]因此，對基于ARM的B類AIS基帶信號處理進行研究具有實際意義和應用價值。

1 B類AIS基帶信號工作原理

B類AIS工作在甚高頻(Very High Frequency, VHF)頻段，在161.975 MHz和162.025 MHz頻道上采用CSTDMA協議進行船舶間通信;系統采用開放系統互連(Open System Interconnection，OSI)模型，無線傳輸帶寬為0.025 MHz;基帶信號采用高斯濾波最小頻移鍵控(Gaussian Filtered Minimum Shift Keying，GMSK)調制解調。[3]采用通信鏈路控制規程(High-level Data Link Control，HDLC)，數據編碼為翻轉不歸零制(Non Return to Zero, Inverted，NRZI)方式，傳輸速率為9 600 Bite/s。[4]

1.1CSTDMA通信協議

CSTDMA協議是時分多址(Time Division Multiple Access，TDMA) 協議的一種，最關鍵的技術是載波監聽技術和特殊的時隙接入算法。CSTDMA數據傳輸時序見圖1。

圖1 CSTDMA數據傳輸時序

AIS采用幀的概念，每幀1 min;將該幀劃分為2 250個時隙，每個時隙26.67 ms。由圖1可知,開始緩沖的時隙范圍為T0～TB，其中:載波監聽的時隙范圍為T0～TA;功率爬坡的時隙范圍為TA～TB。T0代表一個時隙時間分配開始;TA代表功率爬坡開始，時間為2.083 ms;TB代表發送訓練序列開始，時間為2.396 ms;TC代表發送起始標志，時間為4.896 ms;TD代表報文數據發送開始，時間為5.729 ms;TE代表結束緩沖開始，時間為25.729 ms;TF代表功率滑坡開始，時間為26.042 ms;TG代表當前傳輸時隙結束，時間為26.67 ms。1.1.1載波監聽載波監聽解決B類AIS臺站發射時隙與A類AIS臺站或岸臺發射時隙的沖突。根據IEC 62287協議的要求,在B類報文發射前要先進行載波監聽，確定該時隙所在的信道是空閑的。T0開始后的833～1 979 μs中的1 146 μs為CSTDMA的載波監聽窗的寬度。載波監聽時序見圖2。

圖2 載波監聽時序

1.1.2時隙接入算法

CSTDMA采用預定傳輸接入算法作為時隙接入協議。接入算法由接入參數(見表1)決定。

表1 CSTDMA時隙接入參數

(1)TRI由對地航速決定，即當對地航速VSOG>2 n mile/h時，TRI為30 s；當對地航速VSOG≤2 n mile/h時，TRI為3 min。若收到詢問15號報文消息，則先對該消息進行應答；若沒有收到15號報文消息，則可在報告間隔內傳輸18號報文消息及24A和24B船舶靜態數據消息。

(2)TNTT為由TRI定義的用于傳輸的標稱時隙周期,是在[0+0.5TTI，2 249-0.5TTI]內隨機選擇的時隙。

(3) 設定TNTT為中心，在其左右兩側各取0.5TTI，從而限定CP的取值范圍。

(4) 在[TNTT-0.5TTI，TNTT+0.5TTI]內隨機產生10個發送候選時隙。根據IEC 62287-1標準，CSTDMA僅允許發送與安全相關的文字消息，消息長度不能超過1個時隙，尋址報文最長96 Bite，廣播報文最長128 Bite，不能自動回復。

在(0+0.5TTI)～(2 249-0.5TTI)時隙內隨機產生一個TNTT，以TNTT為中心,左右各0.5TTI內隨機產生10個候選時隙，將這些時隙按從小到大的順序排列。每個時隙都要監聽信道是否有信息接收，從第一個時隙開始進行載波監聽，將測量值與載波監聽門限值相比較，若超出門限值，則不發送。在下一個候選時隙重復前面的操作，直到發送成功。若10個候選時隙都無法發送，則該次發送停止。[5-6]

1.2使用的主要消息及消息碼文的格式

1.2.1使用的主要消息

B類AIS使用的消息主要有:與安全相關的消息(14號報文)、動態消息(18號報文)、靜態消息(24號報文)、其他船舶發來的消息(15號報文)及岸臺發來的消息(20號和23號報文)。

1.2.2AIS的消息碼文格式

AIS有明碼和暗碼2種消息碼文格式,這里主要研究AIS暗碼。暗碼以“!”開頭，需要對接收的字符進行變換，只有根據特定的格式定義才能解析出具體的信息內容。

2 系統硬件設計

控制處理器選用STM32芯片，AIS基帶數據處理選用CMX7042芯片。系統硬件結構見圖3。

圖3 系統硬件結構

1) STM32是一款32位的ARM Cortex M3內核處理器。

2) CMX7042芯片是一款高度集成的AIS基帶數據處理芯片，應用于保證船舶安全航行的自動識別設備中。其完全符合CSTDMA B類AIS收發機的性能要求，主要實現報文的基帶收發處理功能。

2.1STM32與CMX7042連接

STM32與CMX7042通過C_BUS總線連接;C_BUS由CSN,RDATA,CDATA和SCLK等4條信號線組成,用來完成STM32對CMX7042數據的傳輸和讀取。

CMX7042的IRQN引腳與STM32的PC4管腳相連;PC4配置為外部中斷模式，為下降沿觸發方式。設置CMX7042的中斷標志寄存器CE和狀態寄存器C6相應的位，當設置的位由0變為1時，IRQN引腳電平將由高到低變化，從而使STM32進入中斷。在中斷中進一步查詢狀態寄存器C6的數據位狀態,進行相應的處理。

CMX7042的SLOTCLK引腳與STM32的PA6管腳相連;將STM32的PA6管腳復用設置為定時器PWM脈沖輸出模式，使其產生占空比和頻率分別為50%及37.5 Hz的脈沖(即周期為26.67 ms的脈沖)。

2.2STM32與PC連接

STM32與PC通過串口USART1連接。由于STM32輸出的是TTL電平，因此輸出信號要先經過MAX3232E芯片，將TTL電平轉為RS232電平之后再在PC上顯示。

3 系統軟件設計

3.1STM32配置

STM32配置流程見圖4,包括STM32的時鐘配置及所使用的外部中斷、串口、引腳和外設SPI等的相關配置。[7-8]

圖4 STM32配置流程

3.2CMX7042配置

CMX7042配置流程見圖5,包括功能函數FI加載、功率配置、系統時鐘、接收增益及調制所需參數等的配置。[9-10]

圖5 CMX7042配置流程

4 測試結果及其分析

4.1AIS空中電文接收和打包處理

該設計主要完成AIS信號的接收和打包處理，接收功能模塊包含Rx1和Rx2兩路接收通道，每路通道都含有雙緩沖和解調器。啟動接收任務后，當檢測到一個有效數據時，接收通道從空閑狀態轉變為接收狀態，CMX7042先進行GMSK信號解調，在數據流上執行HDLC，NRZI解碼和Bite去填充，并計算CRC校驗碼。在數據接收完畢后，接收通道的狀態從接收狀態轉變為空閑狀態或錯誤狀態，出現錯誤時終止當前的接收任務并舍棄消息，沒有錯誤時解調器直接將接收到的數據寫入到接收內部數據緩沖區中。此外，每個緩沖區都可容納5個時隙的AIS消息。之后，STM32可通過C_BUS總線將解調出的數據讀取出來并進行打包處理。

圖6為通過AIS芯片CMX7042實際接收的一條報文。由串口收發器可知:此次接收數據的長度為0x1C(即28個字節)；接收數據的前3個字節(0x95，0x55，0x55)為AIS數據包中的24 Bite訓練序列;之后的0x7E為開始標志;0x48～0x06為AIS的有效數據;0xB7和0xB1為所接收數據的校驗碼;最后的0x7E為AIS的結束標志。由前述B類AIS基帶信號的分組格式可知,所接收數據符合系統的設計要求。

圖6 AIS芯片CMX7042實際接收的報文

接收到原始數據后，需要先對8位的16進制數進行截取,將其轉化為若干段6位有效數據;隨后根據IEC 61162-1 ASCII字符碼表格將其轉換為代表該6位有效數據的8位ASCII碼。[11-12]6位有效數據轉換為8位ASCII碼流程見圖7。

圖7 6位有效數據轉換為8位ASCII碼流程

最后將AIS數據打包成AIVDM標準格式(見圖8)的數據包。由圖6所示的!AIVDM,1,1,,A,B1P2Wk@0BR7@7JSOenP@wwQW1P06,0*07報文可知,傳送電文語句總數為1，語句順序號為1，AIS為A通道接收，此次接收的數據只需用一條數據包表示，該報文無需填充比特數。

圖8 AIVDM標準格式

4.2AIS發射處理

簡化圖5所示的AIS發射配置流程中的與UTC時間同步的過程，按照37.5 Hz的時序發射前文接收到的報文數據，先按圖9的流程將報文有效數據位所表示的8位ASCII轉換為6位有效數據,再進行HDLC和NRZI編碼，經過GMSK調制等步驟后進行發射。發射過程用示波器檢測(見圖10)。

圖9 8位ASCII轉換為6位有效數據流程

圖10 AIS數據發射過程檢測

從圖10中可看出，示波器1通道是產生的37.5 Hz的脈沖波形，2通道是發射的AIS消息波形。數據是按照“1.1”節的方式發射的。在一個周期開始后的一段時間，先要進行載波監聽和功率上升等操作，接著進行有效數據傳輸，并在當前時隙結束前結束。

5 結束語

通過將ARM與AIS處理芯片相結合，實現AIS基帶信號接收和傳輸的軟硬件設計。通過實際測試及對接收和發射的報文數據進行分析，驗證該設計符合系統設計要求。此外,對接收的報文數據進行了打包處理。

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ProcessingClassBAISBasebandSignalwithARM

MALongjun,ZHANGXiaolong，LINChangchuan

(Navigation Institute, Jimei University, Xiamen 361021, China)

2015-11-23

交通運輸部應用基礎(主干學科)研究項目(2014329815090)

馬龍俊(1988—)，女,安徽阜陽人，碩士，從事交通運輸規劃與管理研究。E-mail:autumn_sina@126.com

林長川(1958—),男,福建泉州人,教授,博士,主要研究方向為交通信息工程及控制。E-mail:cclin@jmu.edu.cn

1000-4653(2016)01-0001-04

U675.7

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