基于ARM的B類AIS基帶信號處理

基于ARM的B類AIS基帶信號處理

馬龍俊;張小龍;林長川

【摘 要】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-Sen 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.

【期刊名稱】《中國航海》

【年(卷),期】2016(039)001

【總頁數】5頁(P1-4,9)

【關鍵詞】船舶工程;船舶自動識別系統;基帶信號;嵌入式;CMX7042芯片

【作 者】馬龍俊;張小龍;林長川

【作者單位】集美大學航海學院,福建廈門361021;集美大學航海學院,福建廈門

361021;集美大學航海學院,福建廈門361021

【正文語種】中 文

【中圖分類】U675.7

Abstract: An embedded class B Automatic Identification System(AIS)

baband signal processor with Carrier-Sen Time Division Multiple

Access(CSTDMA) bad 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 prented, which

proves that the design is good for its purpo.

Key words: ship engineering; AIS; baband 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-Sen 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。

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]

1.1 CSTDMA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。

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。

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。

(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)。

1.2.2 AIS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。

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。

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。

2.1 STM32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)。

2.2 STM32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。

3.1 STM32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]

3.2 CMX7042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]

4.1 AIS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。

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。

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。

4.2 AIS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)。

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。

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。

【相關文獻】

[1] 徐盈瑩.B類AIS基帶通信單元及協議的設計實現[D].大連：大連海事大學,2011：1-3.

[2] 王瓊.基于嵌入式Linux數據采集系統的軟件與實現[D].成都：電子科技大學, 2013：2-3.

[3] 姚娜，蔡榮海.AIS系統中GMSK調制解調[J].電視技術,2006(5)：186-188.

[4] 馬楓.內河AIS船臺設備的開發與應用研究[D].武漢：武漢理工大學, 2010：4-14.

[5] 國際電信聯盟.ITU-R M.1371-3 建議書[S].

[6] 孫文力,孫文強.船載自動識別系統[M].大連:大連海事大學出版社,2004：17-36.

[7] 陳志旺.STM32嵌入式微控制器快速上手[M].北京：電子工業出版社, 2012：47-75.

[8] 意法半導體(中國)投資有限公司.STM32F系列ARM內核32位高性能微控制器參考手冊[K].上

海:意法半導體(中國)投資有限公司,2010.

[9] CMX7032/CMX7042, AIS Data Processor[S].

[10] 陳朝陽，邵哲平，鄭佳春. AIS通信系統設計及調制器實現[J].中國航海,2003(2):65-68.

[11] 袁安存,張淑芳.通用船載自動識別系統國際標準匯編[M].大連:大連海事大學出版社,2003：

157-168.

[12] LIN Changchuan，LIN Hai. Development of a Display of the AIS Information[J].IEEC

ICEMI Proceedings，2007(2)：890-893.