基于ARM的B类AIS基带信号处理

基于ARM的B类AIS基带信号处理

马龙俊;张小龙;林长川

【摘 要】采用CMX7042调制解调芯片,结合嵌入式微处理器(Advanced RISC

Machines,ARM)技术,对B类船舶自动识别系统(Automatic Identification

System,AIS)载波侦测时分多址(Carrier-Sen Time Division Multiple

Access,CSTDMA)通信方式的基带信号接收和打包及数据传输进行软硬件设计.实

际测试结果表明:所设计的软硬件的数据接收和传输符合设计要求,对B类AIS进行

的开发和研究具有实际参考价值.

【期刊名称】《中国航海》

【年(卷),期】2016(039)001

【总页数】5页(P1-4,9)

【关键词】船舶工程;船舶自动识别系统;基带信号;嵌入式;CMX7042芯片

【作 者】马龙俊;张小龙;林长川

【作者单位】集美大学航海学院,福建厦门361021;集美大学航海学院,福建厦门

361021;集美大学航海学院,福建厦门361021

【正文语种】中 文

【中图分类】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

为增强对目标船舶的识别能力、防止与他船发生碰撞，越来越多的船舶开始配备船

舶自动识别系统(Automatic Identification System，AIS)。此外，海事管理部门

通过船舶与岸台间AIS信息的交换，不仅能完成对所管辖水域内所有安装AIS船

舶的监管，还能更好地提高其海上搜救能力。

内河航行的中小型船舶主要选用B类AIS设备，其有自组织时分多址(Self-

Organizing Time Division Multiple Access，SOTDMA)和载波侦测时分多址

(Carrier-Sen Time Division Multiple Access，CSTDMA)两种通信方式。虽然

AIS在我国已较为普及，但技术还不成熟、稳定性不高,很多产品还是采用国外的

技术。对此,开展AIS基带信号的相关研究，并针对实际应用需求对B类AIS的

CSTDMA基带收发信机进行设计。[1]

目前大多数AIS都将单片机作为主控制器，存在处理速度慢、性能不稳定等缺点。

而嵌入式微处理器(Advanced RISC Machines, ARM)具有性能高、成本低和易升

级等优点,逐渐成为各类通信设备的主控制器，可为信息数据采集与传输技术的发

展和应用提供更为优质的硬件条件。[2]因此，对基于ARM的B类AIS基带信号

处理进行研究具有实际意义和应用价值。

B类AIS工作在甚高频(Very High Frequency, VHF)频段，在161.975 MHz和

162.025 MHz频道上采用CSTDMA协议进行船舶间通信;系统采用开放系统互连

(Open System Interconnection，OSI)模型，无线传输带宽为0.025 MHz;基带

信号采用高斯滤波最小频移键控(Gaussian Filtered Minimum Shift Keying，

GMSK)调制解调。[3]采用通信链路控制规程(High-level Data Link Control，

HDLC)，数据编码为翻转不归零制(Non Return to Zero, Inverted，NRZI)方式，

传输速率为9 600 Bite/s。[4]

1.1 CSTDMA通信协议

CSTDMA协议是时分多址(Time Division Multiple Access，TDMA) 协议的一种，

最关键的技术是载波监听技术和特殊的时隙接入算法。CSTDMA数据传输时序见

图1。

AIS采用帧的概念，每帧1 min;将该帧划分为2 250个时隙，每个时隙26.67 ms。

由图1可知,开始缓冲的时隙范围为T0～TB，其中:载波监听的时隙范围为T0～TA;

功率爬坡的时隙范围为TA～TB。T0代表一个时隙时间分配开始;TA代表功率爬坡

开始，时间为2.083 ms;TB代表发送训练序列开始，时间为2.396 ms;TC代表发

送起始标志，时间为4.896 ms;TD代表报文数据发送开始，时间为5.729 ms;TE

代表结束缓冲开始，时间为25.729 ms;TF代表功率滑坡开始，时间为26.042

ms;TG代表当前传输时隙结束，时间为26.67 ms。1.1.1 载波监听载波监听解决

B类AIS台站发射时隙与A类AIS台站或岸台发射时隙的冲突。根据IEC 62287

协议的要求,在B类报文发射前要先进行载波监听，确定该时隙所在的信道是空闲

的。T0开始后的833～1 979 μs中的1 146 μs为CSTDMA的载波监听窗的宽度。

载波监听时序见图2。

1.1.2 时隙接入算法

CSTDMA采用预定传输接入算法作为时隙接入协议。接入算法由接入参数(见表1)

决定。

(1) TRI由对地航速决定，即当对地航速VSOG>2 n mile/h时，TRI为30 s；当

对地航速VSOG≤2 n mile/h时，TRI为3 min。若收到询问15号报文消息，则

先对该消息进行应答；若没有收到15号报文消息，则可在报告间隔内传输18号

报文消息及24A和24B船舶静态数据消息。

(2) TNTT为由TRI定义的用于传输的标称时隙周期,是在[0+0.5TTI，2 249-

0.5TTI]内随机选择的时隙。

(3) 设定TNTT为中心，在其左右两侧各取0.5TTI，从而限定CP的取值范围。

(4) 在[TNTT-0.5TTI，TNTT+0.5TTI]内随机产生10个发送候选时隙。根据IEC

62287-1标准，CSTDMA仅允许发送与安全相关的文字消息，消息长度不能超过

1个时隙，寻址报文最长96 Bite，广播报文最长128 Bite，不能自动回复。

在(0+0.5TTI)～(2 249-0.5TTI)时隙内随机产生一个TNTT，以TNTT为中心,左右

各0.5TTI内随机产生10个候选时隙，将这些时隙按从小到大的顺序排列。每个

时隙都要监听信道是否有信息接收，从第一个时隙开始进行载波监听，将测量值与

载波监听门限值相比较，若超出门限值，则不发送。在下一个候选时隙重复前面的

操作，直到发送成功。若10个候选时隙都无法发送，则该次发送停止。[5-6]

1.2 使用的主要消息及消息码文的格式

1.2.1 使用的主要消息

B类AIS使用的消息主要有:与安全相关的消息(14号报文)、动态消息(18号报文)、

静态消息(24号报文)、其他船舶发来的消息(15号报文)及岸台发来的消息(20号和

23号报文)。

1.2.2 AIS的消息码文格式

AIS有明码和暗码2种消息码文格式,这里主要研究AIS暗码。暗码以“!”开头，

需要对接收的字符进行变换，只有根据特定的格式定义才能解析出具体的信息内容。

控制处理器选用STM32芯片，AIS基带数据处理选用CMX7042芯片。系统硬件

结构见图3。

1) STM32是一款32位的ARM Cortex M3内核处理器。

2) CMX7042芯片是一款高度集成的AIS基带数据处理芯片，应用于保证船舶安

全航行的自动识别设备中。其完全符合CSTDMA B类AIS收发机的性能要求，主

要实现报文的基带收发处理功能。

2.1 STM32与CMX7042连接

STM32与CMX7042通过C_BUS总线连接;C_BUS由CSN,RDATA,CDATA和

SCLK等4条信号线组成,用来完成STM32对CMX7042数据的传输和读取。

CMX7042的IRQN引脚与STM32的PC4管脚相连;PC4配置为外部中断模式，

为下降沿触发方式。设置CMX7042的中断标志寄存器CE和状态寄存器C6相应

的位，当设置的位由0变为1时，IRQN引脚电平将由高到低变化，从而使

STM32进入中断。在中断中进一步查询状态寄存器C6的数据位状态,进行相应的

处理。

CMX7042的SLOTCLK引脚与STM32的PA6管脚相连;将STM32的PA6管脚

复用设置为定时器PWM脉冲输出模式，使其产生占空比和频率分别为50%及

37.5 Hz的脉冲(即周期为26.67 ms的脉冲)。

2.2 STM32与PC连接

STM32与PC通过串口USART1连接。由于STM32输出的是TTL电平，因此输

出信号要先经过MAX3232E芯片，将TTL电平转为RS232电平之后再在PC上

显示。

3.1 STM32配置

STM32配置流程见图4,包括STM32的时钟配置及所使用的外部中断、串口、引

脚和外设SPI等的相关配置。[7-8]

3.2 CMX7042配置

CMX7042配置流程见图5,包括功能函数FI加载、功率配置、系统时钟、接收增

益及调制所需参数等的配置。[9-10]

4.1 AIS空中电文接收和打包处理

该设计主要完成AIS信号的接收和打包处理，接收功能模块包含Rx1和Rx2两路

接收通道，每路通道都含有双缓冲和解调器。启动接收任务后，当检测到一个有效

数据时，接收通道从空闲状态转变为接收状态，CMX7042先进行GMSK信号解

调，在数据流上执行HDLC，NRZI解码和Bite去填充，并计算CRC校验码。在

数据接收完毕后，接收通道的状态从接收状态转变为空闲状态或错误状态，出现错

误时终止当前的接收任务并舍弃消息，没有错误时解调器直接将接收到的数据写入

到接收内部数据缓冲区中。此外，每个缓冲区都可容纳5个时隙的AIS消息。之

后，STM32可通过C_BUS总线将解调出的数据读取出来并进行打包处理。

图6为通过AIS芯片CMX7042实际接收的一条报文。由串口收发器可知:此次接

收数据的长度为0x1C(即28个字节)；接收数据的前3个字节(0x95，0x55，

0x55)为AIS数据包中的24 Bite训练序列;之后的0x7E为开始标志;0x48～0x06

为AIS的有效数据;0xB7和0xB1为所接收数据的校验码;最后的0x7E为AIS的结

束标志。由前述B类AIS基带信号的分组格式可知,所接收数据符合系统的设计要

求。

接收到原始数据后，需要先对8位的16进制数进行截取,将其转化为若干段6位

有效数据;随后根据IEC 61162-1 ASCII字符码表格将其转换为代表该6位有效数

据的8位ASCII码。[11-12]6位有效数据转换为8位ASCII码流程见图7。

最后将AIS数据打包成AIVDM标准格式(见图8)的数据包。由图6所示

的!AIVDM,1,1,,A,B1P2Wk@0BR7@7JSOenP@wwQW1P06,0*07报文可知,传

送电文语句总数为1，语句顺序号为1，AIS为A通道接收，此次接收的数据只需

用一条数据包表示，该报文无需填充比特数。

4.2 AIS发射处理

简化图5所示的AIS发射配置流程中的与UTC时间同步的过程，按照37.5 Hz的

时序发射前文接收到的报文数据，先按图9的流程将报文有效数据位所表示的8

位ASCII转换为6位有效数据,再进行HDLC和NRZI编码，经过GMSK调制等步

骤后进行发射。发射过程用示波器检测(见图10)。

从图10中可看出，示波器1通道是产生的37.5 Hz的脉冲波形，2通道是发射的

AIS消息波形。数据是按照“1.1”节的方式发射的。在一个周期开始后的一段时

间，先要进行载波监听和功率上升等操作，接着进行有效数据传输，并在当前时隙

结束前结束。

通过将ARM与AIS处理芯片相结合，实现AIS基带信号接收和传输的软硬件设计。

通过实际测试及对接收和发射的报文数据进行分析，验证该设计符合系统设计要求。

此外,对接收的报文数据进行了打包处理。

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