摘要： 船舶自动识别系统(Automatic Identification System，简称AIS )工作在海上VHF频段，运用SOTDMA方式发射船舶数据，具有补充现有船舶导航存在的缺陷，减少船舶碰撞事故;提高搜救遇险船舶的速度;增强雷达，船舶交通管理系统VTS的功能。
随着全球经济的发展、国家之间交流的日益频繁，航运业迎来了蓬勃发展的又一次高峰，航海技术的提高也越来越受到重视。上个世纪，VHF通信技术被广泛地应用于船舶通信领域。雷达、ARPA具有识别船舶的功能但是由于它们自身的局限性而无法适应现代航运安全的需求;随着计算机技术、数字通信技术以及网络信息技术的飞速发展，AIS的技术基础已经形成，在航运界对助航设各的要求越来越高的情况下，船舶自动识别系统应运而生。
船舶自动识别系统首先被用于航海避碰。由于雷达特性的，以及不是所有的船都装备有这个设备，因而它首先被用做为一种监视与判断碰撞的危险度的一种方式。获得船舶自动识别系统发送的数据对于船舶避碰非常重要。
本文对AIS基本结构、工作原理、技术特点、及其输入输出接口，输出信息的帧封装及解析原理等进行了解析。在此基础上完成了AIS信息采集处理的系统设计。试验表明所得到的AIS信息准确可靠。该项技术的研究，是AIS信息应用系统研究的基础。
关键词：船舶避碰 AIS VHF GPS 数据采集
Abstract:
AIS works on the marine VHF, use the SOTDMA (Self Organized Time Division Multiple Access) data chain protocol to transfer data of ships. The AIS can help the limits of the current services, and decrease the collide case of ships, and improve the value of the safe action in marine, and make the content of the radar and the VTS more stronger.
With the development of the economy of international and the more communication of the countries, the navigation gets a chance to have a booming future. The navigation technologies are more and more to be emphasized.During the last century, the VHF (Very High Frequency) communication has been applied in the ship's transportation, as well as radar and ARPA also could identify ships in the marine. But they couldn't adapt to the needs of the modern navigation because of their limits. The rapid development of the digital communications technology, computer technology and net ware technology supports the needed technology of AIS (Automatic Identification System). As the aiding service of the navigation, AIS is born to live and will be stronger and stronger.
AIS is used in navigation primarily for collision avoidance. Due to the limitations of radio characteristics, and because not all vessels are equipped with AIS, the system is meant to be used primarily as a means of lookout and to determine risk of collision。 Get the information of the Ais is important for collision avoidance.
This paper introduces the base structure、work principle、technical and I/O port of the AIS, also presents AIS’s frame encapsulation format and decoding encapsulation method.Based on the above method,the software wasdesigned for the information collecting and processing from AIS.The experiment showed that the AIS information obtained through collecting and processing in this way was accurate and reliable.Studying on these techniques is the base of studying the AIS information application systerm..
Keywords: collision avoidance AIS VHF GPS data Acquisition
目录
第1章绪论
1.1 AIS技术的来源与发展
1.1.1 AIS的产生背景.........................................................................................
1.1.2 AIS现状与其发展.....................................................................................
1.2课题的提出....................................................................
1.3论文的主要研究内容和研究成果.....................................................................
1.3.1研究内容...................................................................................................
1.3.2研究成果...................................................................................................
1.4论文的结构.........................................................................................................
第2章AIS技术标准和当前主要应用分析.................................................................
2.1 AIS基本构成和工作原理................................................................................
2.1.1 AIS基本组成…..........................................................................................
2.1.2船载AIS的种类......................................................................................
2.1.3 AIS的工作过程......................................................................................
2.2 AIS的技术标准及特点................................................................
2.2.1 AIS技术标准...................................................
2.2.2新规范的AIS技术特点........................................................................
2.3 AIS主要技术及指标................................................................................
2.3.1自组织时分多址接续SOTDMA技术..................................................
2.3.2 AIS工作频道及调制方式..........................................................
2.3.3 AIS工作模式。....................................................................................
2.4 AIS的协议........................................................................................................
2.4.1 AIS的OSI模型...............................................................................
2.4.2 HDLG通信规程..................................................................
2.5 AIS的应用...........................................................................................
第3章AIS接收机系统硬件设计......................................................................
3.1系统的功能分析与设计...................................................................................
3.2系统方案设计..................................................................................................
3.3微处理器模块的设计.......................................................................................
3.3.1嵌入式系统发展现状及趋势.................................................................
3.3.2嵌入式系统特点及分类...……
3.3.3 ARM嵌入式微处理器的选择
3.4 GMSK解调模块方案的设计...........................................................................
3.4.1基于调制解调芯片的GMSK解调.......................................................
3.4.2基于DSP的GMSK解调......................................................................
3.5系统其他部分的设计.......................................................................................
3.5.1显示模块.................................................................................................
3.5.2输出部分.................................................................................................
第4章关键技术的研究和设计...........................................................................
4.1嵌入式系统技术...............................................................................................
4.1.1嵌入式系统的组成.................................................................................
4.1.2嵌入式操作系统的选择.........................................................................
4.1.3嵌入式系统开发模式.............................................................................
4.2基于S3C2410的ARM9硬件开发平台.........................................................
4.3基于S3C2410的ARM9软件开发流程.........................................................
4.4 GMSK基带信号的解调设计...........................................................................
4.4.1 GMSK的理论依据.................................................................................
4.4.2 GMSK基带解调.....................................................................................
4.5 AIS系统中的同步............................................................................................
4.5.1 AIS系统的同步.......................................................................................
4.5.2 AIS系统的同步技术分析.......................................................................
4.5.3 AIS系统的同步设计...............................................................................
第5章系统软件设计仿真与解码显示...............................................................................
5.1 AIS接收机的软件设计....................................................................................
5.1.1 AIS数据的提取及解包...................................................................
5.1.2 AIS数据检测、重新打包及输出...........................................................
5.2 GMSK基带信号的仿真...................................................................................
5.3 AIS的解码与显示............................................................................................
5.3.1 AIS信息的报文格式...............................................................................
5.3.2 AIS信息种类...........................................................................................
5.3.3 AIS解码及显示.......................................................................................
第6章结束语...............................................................................................................
第1章绪论
本文在分析国内外AIS发展现状及其应用的前提下，就如何设计一种适合于小型船舶和AIS信息采集岸台使用的简易型AIS信息接收机的设计问题进行分析研究。本章阐述了AIS技术的产生背景、现状及发展，讨论了课题研究的现实意义，说明了论文的研究内容和论文的结构安排。
1. 1 AIS技术的来源及发展
AIS ( Automatic Identification System)是工作在VHF海上频段的船舶和岸基广播数据传输系统。它是一种可在船与船之间以及船与岸之间交换数字信息的新工具。设置AIS的目的是为了自动船舶识别、避免船舶碰撞、协助目标跟踪、减少话音报告、简化信息交换并提供附加信息以帮助了解船舶交通状况。目前，AIS已在越来越多的海船上配置，作为雷达的补充，用作船舶之间避碰和自动交换信息的重要助航工具。AIS是一个辅助的船舶航行信息源，利用基站AIS收集和交换船舶航行等有关信息的功能，可使VTS ( Vessel Traffic Service)改善和加强对船舶交通的服务管理功能，可使港航部门获取有关船舶的装载货物、航行计划、实际位置等信息。此外，AIS还可在航标和搜寻救助等方面应用。
1. 1. 1 AIS的产生背景
海上交通是以保障航行安全和航行效率为目的的，航行中，船舶需要掌握彼此的动、静态信息。目前，近距离航行的船舶，广泛的应用雷达作为观测其它船舶动态、静态的手段，使用雷达虽然能够掌握船的存在和动、静态信息，但无法识别其船名、国籍等信息。
IMO和各国主管部门通过制定和实施避碰规则，规定强制配备必要的助航设备，建立VTS、船舶报告制度等措施来管理船舶的安全航行，但船舶的碰撞事故还是屡屡发生。无论是船舶交通管理系统中的“船—岸”通信，还是通航密度较大水域中船舶避碰过程中的“船—船”通信，都迫切需要船舶的标识信号。为了进一步提高船舶安全航行的性能，有关机构和厂商对助航设备进行着不断的研究和开发，当今通信技术和计算机技术的飞速发展，为这方面的研究和开发提供了技术上的保证，AIS就是依托了这些技术而发展起来的。
1.1.2 AIS现状及其发展
国际海事组织(IMO-International Maritime Organization)航行安全分委会第45次会议对修订的海上人命安全(SOLAS-Safety of Life at Sea)公约第五章进行了最后一次审议，修订后的新五章计划于2002年7月1日生效。按照SOLAS公约第五章新规则要求所有在2002年7月1日或以后建造的大于等于300总吨航行于国际航线的船舶、大于等于500总吨航行于国内航线的货船和所有客船均须装配AIS设备。要求所有于2002年7月1日前建造的从事国际航运的各类船舶必须在2003年7月1日到2008年7月1日前装配AIS设备。但在此期限后2年内将永久退役的船舶可免装AIS设备。在新五章第20条的船载航行系统和设备的配备要求中，扩大了设备的配备要求，比较受人关注的就是AIS船载自动识别系统。
AIS发展过程中较早的一种方法是基于VHF数字选择呼叫(DSC-digital selective calling)技术开发而成的，称为自动应答系统(Transponder System )。其基本方法是在70频道上以DSC方式自动发出询问信息，接收到询问信息的接收机(装在船舶或岸台上的AIS设备)根据询问方要求的频道，将本船的识别码、船名、船位、航向、航速、吃水等信息自动传给询问方，这样便实现了自动应答功能。AIS作为通信导航系统或设备，经历了一个从不完善到逐步完善的过程，IMO海安会及其它的国际组织，不断制定和补充相应的标准，同时对AIS的研究也在不断地向前推进。以下从AIS国际、国内标准和AIS的研究现状来说明AIS的发展，下面是AIS系统的发展历程:
1992年，国际航道标志协会向IMO国际电信联盟ITU (International Telecommunication Union)提议使用DSC应答器系统。同年，IMO航行安全分委会第38次会议(NAV38)通过DSC应答器系统提议，并提出对海上生命安全SOLAS( Safety Of Life At Sea ) 74公约第五章进行修改。
1995年7月，瑞典、芬兰联合在IMO NAV41会议上首次提出将自组织时分多址(SOTDMA)应用于船舶间和船岸间海上转发器系统的建议提案。同时，根据英国的提案，确定利用VHF CH70的应答器性能标准。
1996年9月，在IMO NAV42会议上，研讨AIS采用两种信息交换方式 (VHF/DSC式和广播式)，对未来的船载AIS必须满足船舶间和船岸间不断增长的信息交换需求得到共识。
1996年12月IMO海安会MSC67会议，同意将广播式信息交换方案引入AIS 。
1997年，在IMO会议NAV43会议上，通过了《关于通用船载自动识别系统( AIS)性能标准的建议案》，确定通用船载AIS作为未来全球海上实施的系统。
1997年6月，IMO MSC68会议，制定通报容量大的(最小为2000个报告/min )AIS性能标准。
1997年10月，ITU-R大会审议M.825号建议修正案，用AIS扩大VTS信息，增加VTS用高速AIS技术特性提案。
1997年，英国进行了DSC应答器系统试验。
1998年5月，IMO第69届海安会以MSC.74 ( 69 )号决议通过了关于《通用船载自动识别系统(AIS)性能标准》的建议案。
1998年7月，NAV44会议建议 2002年起300总吨及以上新船和客轮必须安装AIS。
1998年，ITU-R通过全球AIS专用两个VHF频道:CH 87B }161.975MHz;CH 88B }162.025MHz，从而满足了AIS需求的频率条件。
1998年11月，ITU-R通过了“在VHF海上移动频段上使用时分多址的船用自动识别系统(AIS)的技术特性，建议案ITU-R M.13710
1999年11月，在IMO NAV45上，确定对 SOLAS74公约第S章进行修改，采纳ITU提出的《海上VHF波段使用TDMA的船用自动识别系统(AIS)的技术特性》的建议案。
2000年6月，IMO海安会MSC第73次会议通过了新修订的SOLAS公约第V章关于强制安装船舶自动识别系统AIS的决议。
2000年12月，IMO MSC73会议通过AIS强制性安装议案。按照SOLAS公约第五章新规则要求所有在2002年7月1日或以后建造的大于等于300总吨从事国际航运的船舶，大于等于500总吨不从事国际航运的货船和所有客船均须装配AIS设备。要求所有于2002年7月1日前建造的从事国际航运的隔离船舶必须在2003年7月1日到2008年7月1日前装配AIS设备。
2001年，国际电工技术委员会IEC ( International Electro-technical Commission )以IEC61993-2决议案制定了《通用船载自动识别系统(AIS)操作及性能要求、测试方法和要求的测试结果》的AIS测试标准。
2001年，IALA颁布通用AIS准则。
2001年，通过了AIS准则。
2002年，IMO关于通用AIS的携带要求开始。
自从VTS中船舶识别问题被重视和AIS的观点被提出，国际海事组织对船舶识别和AIS的讨论、研究、论证、极限测试、定标、推广等方面的工作研究从未间断过每年都要召开多次AIS方面的会议并做出相应的决定。国际海事组织安全委员还成立了专门的AIS小组，统一协调AIS工作和进程。AIS方面的研究是一项巨大的工程，其讨论、研究、论证、极限测试、定标、推广等方面的工作需要参与国际海事组织的各成员国合作参与，有的测试、定标等工作的部分费用是由国际海事组织支付的，没有我国参与这方面工作的报道。查阅有关的会议文件，我国曾派员参加了有关会议，但很少有参与船舶自动识别系统讨论和发表论文。
我国对AIS方面的研究还是处在相对贫乏的位置。
1. 2课题的提出
随着AIS的技术发展和其广阔的应用前景受到人们的关注，AIS不仅在船舶避碰和自动识别方面取得了成功，AIS同样在VTS领域、内河水域及其它环节如公路和航空交通等方面引起了人们的重视。因此，研究AIS技术，来改变交通安全性问题使其得到更广泛的应用具有很大的前途。内河水域是我国重要的黄金水道，同时交通事故所造成的危害也是巨大的，究其原因是多方面的。一方面，船舶数量增多，数以万计，船速加快，船舶航行管理难度非常大。另一方面，船舶间、船舶与岸上VTS之间的信息通信存在缺陷，不能及时准确地了解对方的信息与意图，无法对船舶进行实时监控等。而适时推出的船舶自动识别系统AIS是集现代通信、网络和信息科技于一体的多门类高科技新型的助航设备和安全信息系统，适用于水上船舶交通信息交换设备，能为船舶航行安全提供新的技术手段。然而，标准的AIS对内河水域的小型船舶而言，存在经费、频道管理等方面的问题;对部分岸台来说，它们只需接收AIS信息。这就需要设计一种适合这种群体的AIS系统。本课题正是在这种形势下提出的，具有一定的研究价值和使用意义。本文就如何设计一种适合于小型船舶和AIS信息采集岸台使用的简易型AIS信息接收机的设计问题进行分析研究。本文将在分析AIS国际标准的基础上，对AIS接收机的方案进行设计和论证。目的就是要建立一个高性价比的AIS接收机设计方案，来更广泛的保证航行安全，提高航行效率。
随着嵌入式ARM技术的发展，ARM得到了广泛的应用。ARM具有比较强的事务管理能力，其优势主要在控制方面，并且其外设接口资源比较丰富。基于ARM的特点，在本课题中我们将选用ARM微处理器作为核心处理器。如何将ARM应用到AIS的系统中，是我们将要面临的一个重要研究。把嵌入式技术应用到船舶自动识别系统具有一定的意义，也是本文的特点。
3论文的主要研究内容和研究成果
1.3.1研究内容
本课题在分析AIS国内外发展现状和内河水域及部分岸台需求状况的基础上，着重探讨了以下几个方面的内容:
(1)分析AIS的技术标准和当前的应用情况，为课题的方案设计提供理论依据和技术手段。
(2)分析系统设计的功能和目的，依据AIS的国际标准，对AIS接收机系统的总体方案进行设计，并对各个功能模块进行了分析和设计。
(3)根据系统的设计方案，对系统设计的关键技术环节进行研究和设计，关键环节主要包括以下几个方面:嵌入式系统技术中嵌入式操作系统的选择、系统的硬件开发平台、基于硬件的软件开发流程、GMSK基带信号的解调技术和AIS系统中的同步技术。
(4)对系统的设计方案进行验证，在这一部分中我们用System View仿真分析平台对GMSK信号的调制解调算法进行实验仿真，并对结果进行了分析。本课题的特点是把嵌入式微处理器ARM9应用到AIS接收机系统的方案设计中。基带信号解调后信息的处理将由ARM9来完成，对信息进行管理和解码等操作，根据需要提取出船舶的部分动静态信息，并利用AR.M9处理器的LCD接口把对应的信息显示在LCD上。
1.3.2研究成果
本文主要的研究成果如下:
(1)本文对船舶自动识别系统的性能标准和技术特性进行了分析，找出了适合本课题研究的标准。
(2)在研究系统功能和目的的基础上，把嵌入式技术应用到方案设计中，设计出了适合特殊群体并符合AIS国际标准的高性价比的方案。
(3)对系统总体方案设计的流程算法通过软件进行了验证和分析，论证了方案的可行性。对解调后的数据进行了解码操作，可以提取出船舶的部分动静态信息，并显示到LCD上。
1. 4论文的结构
本课题共分6个章节，具体结构如下:
第1章分析了AIS技术的现状及其发展，说明了课题选择的实际意义，阐明了论文的研究内容和研究成果。
第2章对AIS的技术标准和当前的主要应用进行分析，为后续课题的研究提供了理论和现实依据。
第3章根据AIS接收机的特点，进行方案设计，给出了AIS接收机系统的总体设计方案，对各模块的设计展开详细的分析和讨论。
第4章围绕课题的方案设计，对课题的关键技术进行了分析研究和设计。
第5章分析了系统的软件设计及仿真实验，并对结果进行了讨论。
第6章结束语，对课题进行总结，指出存在的不足和需要完善之处，对以后的研究进行展望。
第2章AIS技术标准和当前主要应用分析
本章主要从AIS的构成、技术标准和应用等方面进行分析和讨论，作为后续方案设计的理论依据和标准。
2. 1 AIS基本构成和工作原理
2. 1 .1 AIS基本组成
一般来说，船载AIS由以下几部分构成:
》鞭状VHF天线;
》VHF发射机;
》多频道VHF接收机，用于频道管理的70频道VHF接收机;
》处理单元(CPU);
》电子定位系统、全球卫星导航系统(GNSS )接收机，用于定时和提供备份的船位信息;
》与航向、航速设备和其他船载传感器的接口;
》与雷达/自动雷达标绘仪(ARPA )、电子海图系统/电子海图显示和信息系统(ECS/ECDIS)以及综合导航系统(INS )的接口:
》BIIT(内置完整性测试)单元，简易键盘与显示器，用于输入和查询数据。
图2.1为国际海事组织(IMO)在“船载AIS船上操作导则(A.917 (22))"中所引用的AIS基本构成框图，设备制造商生产的AIS设备应基本符合该图的组成要求，但在功能上各自有所增加，例如，可以增加一些报警电路等。 各部分的基本原理如下:
船舶航行数据传感器:包括全球卫星导航系统GNSS接收机(内置，还可外接)及天线,外接电罗经或磁罗经、船速、回旋速率等传感器。GNSS接收机现一般采用DGPS接收机，作为系统同步需要的UTC源:当得不到外部位置传感器数据时，可作为AIS位置报告源。
VHF通信机:包括天线，1台发射机，2台TDMA接收机，1台调谐于70频道的专用DSC接收机。
处理单元CPU:留有船舶传感器和图形显示接口，可对外接的设备进行控制(包括频道选择与切换、支持近程与远程应用等)，对各类数据进行综合处理，进行TDMA和DSC编码与解码，进行内置完整性测试等。
内置显示器和键盘(也可外接):用于输入和查询数据。图形显示接口可与雷达/自动雷达标绘仪ARPA、电子海图系统ECS/电子海图显示与信息系统ECDIS以及综合导航系统INS相接。
船载AIS的基本功能是:可在ECS/ECDIS显示器上实时跟踪其他配置AIS的船舶:及时显示船舶的位置、对地速度(SOG )、对地航向(COG)和脂向数据:记录航迹历史:在船舶转向或机动时，显示预计航迹:对配置AIS的船舶，可提供其预计到达时间(ETA);可向其他船舶和VTS中心自动播发本船的静态、动态和航次相关等数据以及收发安全相关短电文等。
2.1.2船载AIS的种类
在国际电信联盟ITU-R的建议案M.1371-1种探讨了两种AIS，即Class A AIS和Class B AIS 。
一、Class A AIS
Class A AIS是满足IMO关于AIS基本性能要求的船载设备，因此适用SOLAS公约Chapter V/Reg.19的船舶配备的AIS为该等级。
二、Class B AIS
Class B AIS也为船载设备，其不能完全满足IMO关于AIS性能标准的要求。
但总体上Class B AIS与Class A AIS设备结构基本一样，功能存在细微差别，具体
表现在如下方面:
》报告速率比Class A AIS低(如14kn以下的船舶，每30秒发送一次，而Class A AIS每10秒发送一次);
》不发送船舶的预计到达时间(ETA)或目的港;
》不发送船舶的航行状态:
》不发送安全电文(但应能够接收);
》不发送船舶的转向率:
》不发送船舶的静态吃水;
》不发送船舶的识别码(但应能够接收)。
2. 1. 3 AIS的工作过程
AIS是依靠岸基的VHF岸台和移动的船舶安装无线应答器系统来工作的。基于一个可由控制站操作员调整的时间表，基站对所有的船在70信道上发出一个电信号。这个信号可以是广域的，也可以是局域的。只有安装了AIS系统的船对呼叫产生应答(不是己经登录到系统的船)。基站在船的移动中自动获得信息。AIS电脑将决定在工作信道上进入船舶的系统或者是在70信道上监视船舶。在70信道上的监视要遵守国际电信联盟无线电分委会的最新规定，而且只能在船台没有容量工作在AIS信道上或者AIS信道无法操作的时候。
AIS基站将一组数字和信道按顺序分配给船台。船台就会切换到AIS信道。在适当的时间，基站会将其他所有的船在系统中的数据通知给船台。通过登录到系统，所有的船台都会得到新船的信息。随着船沿着自己的航线距离传送塔的远近不同，船台的高低功率也可以自动或者手动切换。AIS基站可以控制121组用户，每组用户可以达到121艘船。AIS操作者能把船舶在组和组之间调换，并可以改变每组的时间间隔。
AIS电脑与所有组的所有船在信道70上保持联系。系统确认70信道必须和国际电信联盟无线电分委会推荐的载入信道相一致。AIS基站将在适当的时间编排船舶报告的顺序。在船舶工作的双工信道向基站报告信息的同时，基站处于重复模式并同时将收到的传播信息，如位置、航线、航速等像发送船一样广播出去。在这种方式下，所有的轮船包括只能在70信道上广播的船(70信道不能接收工作信道的信息)在工作信道上都能收到控制区域内其他船舶的相关信息。如果配备了电子海图显示和信息系统(ECDIS)的话，就不但能够看见控制区域内自己的位置，而且能看到所有其它的船。这就使系统成为了一套避免灾难发生的工具。
船与岸，船与船，岸与船的信息传递己经实现了。操作员以特定的目的输入一个空的表格文本信息。AIS电脑从自己的操作员或者船台得到发送指令后会将信息打包成合适的尺寸和次数并发送出去。随后的信息传递都要用到AIS岸塔。在这种方式下，如果船舶在控制区域内，他们能够互相收发信息。AIS电脑所决定的打包时间，对于船舶报告位置的过程来说，有一个极小的时间间隔。然而，如果船舶离开了基站的跟踪区域，它就会自动利用一个船一船调制解调器来直接实现与其他船的通信，而不用通过岸塔。在这种情况下，信息的传送不是通过岸塔来实现的，而是直接广播给其他船，并从其他船接收。
AIS控制台建立的位置是为了让经过授权的岸台用户来观察，而不是控制整个的或任何部分的控制区域。经过授权的用户可以通过“镜像”位置看到控制台操作员所看到的一切，并能放大或者缩小控制地带中的任何区域。被选择的船舶的所有可能信息都会在屏幕上显示出来。电脑屏幕可以将所有航船的电子海图信息和图标再发送出去。操作者自己的信息，跟所有被选择的船一样，包括航程、航线的数据，在任何时间都可以提供。
如果航线信息已经被系统加载，那么系统就会基于航线和一定的旋转半径显示出用户的位置。这就给船长或者领航员提供了诸如航线背离信息(CDI )之类的重要指导数据。航线背离信息指的是船在航行中偏离中心航线或左或右的距离(屏幕中的在本船偏离中心航道左/右的图标颜色不同)，并作为航行操作比如跨越或者旋转中的倒计时标准。航线背离信息以英尺或者分米做最小单位来表示。
如果系统接到任何船舶的数字选择呼叫(DSC)的求救信号，它马上发出一个可以听到或者可以看到的警报。如果船舶不在系统内，它会自动登录并在信道70上追踪。一个灾难响应信号就这样产生了。
如果AIS系统在经过IO次循环呼叫后没有收到船舶的回应位置报告，这艘船在屏幕上将显示成黑色。如果再收到位置报告，那船的颜色再返回正常的颜色。如果船舶超出了行程或者离开了控制区域，系统将把它们清除。它们的图标将从屏幕上移走，它们的数据也从数据显示区域消失。清除的船舶如果重新回到行程或者控制区域，将会在系统下一次轮询的时候自动登录到系统。另外，船站所接收的信息在需要的时候可以被其他媒体转载、保存和重新播放。
2.2 AIS的技术标准及特点
2. 2. 1 A I S技术标准
《在VHF海上移动频段采用时分多址(TDMA)技术的通用船载自动识别系统(AIS)的技术特性》(简称“AIS技术标准”)，是ITU R.M1371-1决议案。标准规定了通用船载自动识别系统的技术细节。它根据开放系统互联模型(OSI )}利用物理层、链路层、网络层和传输层说明了系统的网络协议。ITU编制建议案充分考虑了如下的要点:IMO对船用AIS的要求是船舶与船舶之间和船舶与陆岸之间的航行数据交换，其目的是提高航行安全性能;使用STDMA的系统将适应全体用户并能满足对无线电频谱有效利用的要求;AIS主要用于船舶之间的安全监督、船舶报告、船舶交通管理等，其次也可用于通信，但不得影响主要功能;AIS
是的航行设备，要求具有自动的和连续的工作方式，可用于广播传播信息的模式，但也可使用TDMA技术，工作在设定模式和询问模式;AIS应具有足够的扩容能力，能适应用户数量增加及应用多样化的需要。标准规定了AIS的收发器特性、调制解调方案、数据格式、通信和数据分组、时分多址接入和信道管理。
标准规定了AIS的全球公海运行信道:AIS 1 ( 161.975MHz)和AIS2(162.075MHz )。该信道是由1997年10月ITU世界无线电大会(WRC)分配，并记入《无线电规则》的附录S18。
2. 2. 2新规范的AIS技术特点
下面是新规范中讲述的AIS的技术特点:
1)系统工作特点:
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。
2)系统传输的静态信息:IMO编码(如有)、呼号和船名、船的长度和宽度、船的类型、定位天线在船上的位置。
3)系统传输的动态信息:船位、国际协调时、对地航向、对地航速、航迹向、航行状态、转向率、横倾角(选用项)、纵倾和横摆(选用项)。
4)系统传输的航行相关信息:船舶吃水、危险货物类型、目的港和预计到达时间、航行计划(选用项)、简明的安全信息。
5)技术特点:AIS采用OSI ( Open Systems Interconnection)工作模型，无线传输的带宽为25kHz或12.SkHz(见ITU-RM.1084 )，调制采用GMSK方案，数据编码为NRZI方式，数据传输的比特率为9600b/s。
6) AIS的功能特性:与DSC兼容
允许访问GMDSS A1海区的海岸站台；
允许提供简单的GMDSS A1海区的雷达目标确认；
提供了一种AIS信道管理的方法。与12. SKHz窄带信道兼容
提供了一种引入新的AIS信道的方法;
符合窄频带前向纠错的发射需要;
与当前的25KHz宽带系统相兼容。
与双工信道兼容
协助双工的海岸基站的信号转发;
可提供一个半径为100海里的广域覆盖:
在广域网覆盖的区域，允许船载的自组织的无错的AIS无线应答器发射信号;
协助访问岸站的服务中心和数据库;
NOAA PORTS数据(潮汐、洋流、天气等):
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. 3 Ais主要技术及指标
2. 3. 1自组织时分多址接续SOTDMA技术
自组织时分多址接续SOTDMA ( Self-Organized Time Division Multiple Access )技术可以理解为多个用户可以按照时间分割制度，使用同一个信道发送信息而互不干扰的通信技术。信道时间被划分为固定的数据帧，一个数据帧包含一定数量的时隙。在AIS中，一帧的时间长度为一分钟，被划分为2250个时隙;每个时隙为26.67ms，如图2.2和2.3所示。每个时隙可发布一条不长于256bit的信息，长于256bit的信息需增加时隙。每条船舶会通过询问(自动)选择一个与他船不发
生冲突的时隙来发布本船的信息。AIS信号覆盖范围内任何船舶都能自行互不干扰的发送报告和接收其他船舶AIS(或岸基AIS网络系统)的报告。理论上，AIS系统(在同一区域)能同时容纳200300艘船舶进行互相通信，当系统超载时，只有距离很远的目标才会被放弃，以保证作为AIS船对船通信主要对象的近距离目标的优先权。
2. 3. 2 AIS工作频道及调制方式
SOTDMA技术需要2个专用VHF频道。ITU为AIS分配了两个专用的VHF
频道，即:
Channel 87B ( AIS 1)，
Channe188B (AIS2)，
161.975MHz
162.025MHz o
在两个频道上每分钟共有4500个时隙可供使用。一般情况下AIS可以同时并行地接收两个频道的数据，也可以设定在两个频道之间转换。此外，AIS也可以工作于某地方规定的海上移动VHF频段上。
AIS工作带宽为25kHz或者12.SkHzo 25kHz的带宽于公海上使用。在地方水域可以根据当地规定使用25kHz或者12.SkHz的带宽。
AIS使用不归零的反相波进行数据编码，采用高斯滤波最小移频键控调频(GMSKIFM )，传输速率为9600bit/s。
最小移频键控MSK是移频键控(FSK)的一种改进型。在FSK中，每一个码元的频率不变或者跳变一个固定值，而两个相邻的频率跳变码元信号，其相位通常是不连续的。而MSK是FSK信号的相位始终保持连续变化的一种特殊方式，它由于频移小而且相位连续，因此频带利用率优于一般的FSK方式。它的抗白噪声性能比二进制移相键控(2PSK)要好，理论上与四相移相键控(4PSK)相当。GMSK是将数字基带信号先经过一个高斯滤波器整形后再进行调频，从而使功率谱高频分量滚降更快，降低带外辐射。
2. 3. 3 A I S工作模式
AIS可以工作在3种不同的通信模式上:自主连续模式，指配模式和轮询或受控模式。默认模式是自主模式，可根据主管部门的需要与其他模式相互转换。
1)自主连续工作模式(Autonomous Mode )
该模式可以在任何区域工作，不需要船上人员操作。当船舶在海上航行时，AIS将在这种模式上发送静态和动态数据。船载AIS应答器监控两个专用AIS频道，寻找空闲时隙发送这些数据。VHF电波覆盖范围内的船载AIS可以接收到这些数据。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。通过外界的控制，该工作模式可以与下述两种模式相互转换。
2)指配模式(Assigned Mode )
指配模式适用于交通主管部门管辖的海区，数据发送间隔与时隙由主管部门遥控:当船舶航行于沿岸的船舶密集区域时，主管部门可以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船舶运行于指配模式，使这些台站使用主管部门的基站所指配的发送时间表。指配模式适用于两个频道之间的交替工作，它只对台站发射位置报告起作用，对台站的其他工作没有影响。
3)轮询或受控模式(Polled Mode )
工作在轮询模式的台站应自动响应来自船舶或主管部门的询问电文，响应应当在接收到询问电文的频道上发送;轮询工作模式与其他两种工作模式不发生冲突。
2.4 AIS的协议
此小节重要分析AIS的网络结构和协议的传输规程。
2. 4. 1 A I S的OSI模型
AIS通信设备是一个现代电子系统，国际电信联盟制定的ITU-RM.1371-1协
议采用如图2.4所示的OSI ( Open System Interconnection)模型。根据框图以颜色区分可以看出AIS台站的层次模型(物理层到传输层)以及应用层次(对话层到应用层)。下面将对AIS通信设备总体结构上的每一层的工作做一个简单的说明。
I)物理层(Physical Layer ):负责位流从始发者到数据链上的传输。
2)数据链路层(Data Link Layer):在物理层基础上提供可靠的数据帧传送，
并且可以检测和校正某些发生在物理层上的差错。它包括三个子层:
①介质接入控制(MAC ) : MAC层次提供准许接入数据传输介质的方法，即VHF数据链路。
②数据链路服务(DLS ):主要为数据链激活与释放、数据传输、检错与控制等操作提供方法。
③链路管理实体(LME ) : LME控制DLS, MAC和物理层的运行。
3)网络层(Network Layer ):负责建立并维护从一个信息源到一个信息宿的信道链接，信道之间传输分组的分配，解决数据链阻塞的问题;它执行路由选择、信息流控制以及分段/合并段的功能。
4)传输层(Transport Layer ):主要管理在收发信息交换过程中，在两个末端节点之间的连接。它提供了在两个终端用户应用之间的信息的透明传送，将数据转换成大小正确的传输分组以及将数据分组排序，这样，由于提供了可靠的数据传送，把上面几层从不必要的事务中解脱出来。
5)会话层(Session Layer ):主要负责管理在协作应用之间的连接，建立会话关系。它主要管理链路终端和再启动过程这类事件。
6)表示层(Presentation Layer ):将传送的信息转换成彼此同意的格式来处理，主要解决在两个终端用户之间有关应用数据的语法表达问题。
7)应用层(Application Layer):这一层直接连接到应用程序的进程中，并在进程中完成通用的应用服务，它直接支持在收发数据通路两端的应用程序之间的信息交换，但这一层并不产生信息或使用信息的操作。
根据此模型可以看出，在AIS的通信设备中上三层是用来说明交换AIS有关信息的专用处理以及所需要的AIS有关的支持功能，AIS通信设备中下面四层说明链接两个或以上AIS设备并控制信息流无差错、无信息损失、无信息重复所需要的最基本的流程。所以，用OSI模型来分析和理解ITU-RM.1371-1协议是比较合适的。
2. 4. 2 HDLC通信规程
AIS中的航行信息是通过数据包来传输的，一帧相当于一分钟，分为2250个时隙，其中每个时隙包含256比特(约26.67ms )}8}。数据打包格式采用简化的HDLC(高级数据链路控制)协议。数据包即一帧的组成结构如图2.5所示。
下面将根据图2.5对一个时隙的各部分数据作简要的说明:
上升沿为8bit，这段时间是用于射频模块进行功率建立的时间，大约为800ms。 对准序列称为位同步码(或比特同步码)占24bit，其作用是把收发两端时钟对准，使码位对齐，以给出每个码元的判决时刻。对准序列应为交替的0和1组合的位模式，采用N1tZI(反向不归零)编码，并以0作为对准序列的结束码。对于船舶自动识别系统来说，当传输速率为9600bps，对准序列的信息量为24bits时，对准序列信息长度L如式((2. 1):
即对准序列将持续2.Sms。若按照IMO规定的性能要求，通报容量为2250个报告/分钟时，一个时隙的时间宽度为26.67ms。对准序列的时间宽度与每个时隙的时间宽度相比，对准序列所占用时隙的时间资源仅为一个时隙的9.4%。这为一个时隙内后面的航行信息编码留有余地，并且对准序列的信息量为24bits时，其时间宽度对于码同步硬件设备的时间相应也留有余地。因此当船舶自动识别系统通过VHF接收机检测出0, 1交替的序列时，将很快建立码位同步。
开始标志称字同步，占8bit，它表示信息的开始位，由一个标准HDLC标记组成。为了能在接收端正确的区分码字、码句、码帧，需要在信息传输中设置帧同步。AIS的帧同步码为8比特长，由标准的HDLC标志01111110 (7Eh)组成，用于检测一个发射数据包的开始，作为信息起始的时间标准。
在预设传输分组中，数据部分长度为168比特，信息数据是真正所需要传输的信息内容。它分为两个部分:信息标志和信息内容。信息标志是用来表示信息类别、信息数量、优先级和路径的;信息内容是通信双方所需求的数据，对于AIS而言，主要指航行信息。帧校验序列采用循环冗余校验(CRC ) 16比特多项式来计算中所定义的校验和，用于检测传输的数据是否有错误。在CRC计算开始时应将CRC码元预设为1,CRC计算中应该只包括数据部分。CRC码常用于串行传送的辅助存储器与主机的数据通信和计算机网络中，是目前通讯系统中被广泛采用的一种编码方法，主要用在同步通讯上。
结束标志为8bit，结束标志表示信息传输结束，它与开始标志相同，也是由标准的HDLC标志组成。
缓冲码的长度一般为24bit，其用途如下所示:
位填充:Obit，是指在输出比特流中有超过5个连续的“1”时，则需要插入一个“0"。对固定长度信息的数据区所有可能的位组合的数据分析表明，其中76%的组合将用3比特或更少比特用于比特填充，加上逻辑上可能的位组合，对这些信息4比特就足够了。
距离延迟:12bit，为不同距离的电台发送的数据提供保护时间。
转发器延迟:2bit，为双工转发器提供转向时间。
同步抖动:6bit，允许每个时隙有一次抖动的时间，相当于士3b，从而保证了TDMA数据链的完整性。
2. 5 A I S的应用
AIS的基本设计功能是为了实现船舶的自动识别，减少和避免船舶之间的碰撞。随着AIS在船上的普遍装载，AIS的技术发展及其广阔应用前景越来越受到人们的重视。一方面，AIS所提供的在航船舶的数据，具有很高的完整性和可用性;另一方面，AIS为船一船和船一岸之间提供了一个数字传输通道。AIS的这些突出特点，使之不仅可作为船用助航设备，在船舶航行避碰中发挥重要作用，而且可作为在航船舶的数据源，在岸基船舶交通监视管理、海上搜救、海上防污、数字航标、航运管理和物流等系统中发挥重要作用。
下面将对AIS功能的使用情况进行简要分析:
一、AIS在船舶避碰信息交换中的应用
目前，船舶所配有的用于船舶避碰的得助航设备所提供的目标船的信息过于简单，不能完全满足船舶的需要，尤其在狭窄水域、通航密度较大的水域，这类由于目标船提供的信息不足而造成的避碰决策困难或采取避碰行动不当等问题尤为突出。AIS的强制装载和使用给船舶间避碰信息交换提供了新的手段，它能够自动、快捷、全面地提供有助于避碰的信息。通过AIS可获得诸如识别码:MMSI;船舶静态信息:船名、呼号、船长、船宽、总吨、船舶类型、吃水等:船舶动态信息:带有精度指示的船位、对地船速和航向、船首向、转向角速度等航行状况信息;甚至可以获得目标船的转向点信息和目标船将要采取的避碰措施信息等，这将从根本上解决避碰信息不足的问题。同时，由于这些信息能自动更新，因而系统本身可对附近海区船舶实施监视并能自动计算目标船舶的CPA和TCPA，能对碰撞危险给出警告。 二、AIS提高海上搜寻与救助能力
AIS的安装提供了船舶安全航行的保障条件，改善了对水域安全航行环境的监控力度，提高了海事部门对船舶遇险救助的指挥和决策能力。在渤海海峡和琼州海峡提前安装AIS基站就是基于这些原因。当船舶遇险时，海上搜救中心可以通过岸基AIS很快找到离船舶遇险地点最近的最合适的船舶前往救助。例如:烟台海事局于2005年2月对“番莲油19”轮和“沽源”轮的救助过程中，AIS发挥了重要的作用。
三、AIS提高交通管制的效率
据资料显示世界各国海事主管机关己经或正在将AIS融入当地的VTS系统，主要是实现对VTS覆盖区内船舶的自动识别，减少VTS操作人员与船舶驾驶员的VHF通信时间，弥补了以前单纯靠雷达系统进行人工识别的不足，也使VTS人员在任何时候都能全面迅速地掌握区域内船舶交通状况，提高了交通管制的工作效率。
四、AIS发布海上安全信息和识别助航设备
海事部门可以实时通过AIS系统的无线数据链路发布最新的航行瞥告、潮汐和气象等航行安全信息，大大提高了船舶航行的安全系数。将AIS安装在水上浮标等各种助航设施上，不仅有利于船舶驾驶员对它们进行识别，同时也有利于航标管理部门和海事部门监控它们的状态。
五、AIS监控船舶排污活动和帮助协查肇事逃逸船舶
岸基AIS设备能够储存其覆盖区内船舶的动态数据，海事主管机关如果需要可调取某一有违章嫌疑的船舶在特定时间段内的航行动态数据，以便核实其是否违章。以下是发生的一些案例:上海海事局2004年8月22日对违反规定向海域排污的两艘外籍轮船进行了处罚，罚款13万元;2003年5月28日22时左右后，在福建泉州围头外海域，一个大型集装箱船舶C轮与“闽X”渔船擦碰，C轮逃逸，最后被查出。在以上的案例中正是AIS数据为有关部门提供了可靠的证据。
此外，AIS具有全球联网实施动态船舶监控的潜能，AIS采用开放式系统互联的工作模式，使该系统具有很大的兼容性，而它的网络应用特性为实现实时的和动态的海事管理提供技术平台。目前，各国正在探讨AIS的组网和联网问题，将来会建成无缝覆盖世界各沿岸海域的岸基网。
第3章AIS接收机硬件总体方案设计
本章研究基于AIS和嵌入式系统的AIS接收机的构成方案和技术设计方法，并通过对目前现状的分析，来证明本文所研究和构造的系统的优越性和可行性。
3. 1系统的功能分析与设计
有前面的分析可知，船载AIS有A类和B类之分。这主要是为了扩大通用船载AIS的应用范围，IMO在A类船载AIS技术性能规范的基础上，提出了B类船载AIS的技术性能要求。A类船载移动设备应符合相关的IMO AIS装载要求;B类船载移动设备不必完全符合IMO AIS装载要求。
B类船载AIS与A类的主要区别有:
(1)报告电文只限于采用标准电文18和19
按照规定，B类船载AIS设备只能发送电文18和19(见表3.1)。电文18是标准B类设备位置报告电文，与标准A类设备电文1, 2, 3(位置报告)相比，前者不包含航行状态和旋回速率等信息;电文19是扩展B类设备位置报告电文，该电文包含了船舶的静态和航次相关信息，与标准A类设备报告电文5(船舶静态与航次相关数据)相比，前者不包含ETA、当前最大静态吃水、船舶IMO号码、呼号等信息。
(2)电文报告时间间隔与A类船载AIS不同
B类船载AIS设备按表3.1所列电文报告时间间隔发送电文，与A类设备相比，其电文报告时间间隔较长。
(3)只要求能接收安全相关短电文
B类船载AIS设备能接收安全相关短电文，但不要求像A类船载AIS一样，不仅能接收、同时还能发射包含重要航行与气象警告信息的安全相关短电文。
(4)不要求收发DSC(数字选择呼叫)信号
B类船载AIS设备不要求收发DSC信号，因而不必配置DSC接收机和DSC编解码。
(5)不要求配置远程应用功能
B类船载AIS设备用于近海岸活动和内河航行的船舶，不要求配置远程应用的接口。
(6)不要求配置图形显示接口
我国是水运大国，既有像中远、中海这样的国际化大型远洋运输企业，也有数量众多的中小型运输企业。我国拥有内河可航水道达11.65万km，有着发展内河运输的优越的自然条件，加上我国能源、粮食、原材料产地分布和生产力布局又不平衡，内河运输具有不可替代的作用。
内河运输的作用固然重大，但内河航运和其他几种运输方式相比，仍是最薄弱的环节。随着水运事业蓬勃发展，内河船舶交通事故也时有发生，给国家和人民的生命财产造成较大的损失。而碰撞是最常见的事故之一，据有关部门不完全统计，碰撞事故约占内河事故总数的60%以上，而事故所造成的损失约占事故总损失的70%以上。所以有必要加强对内河航运的开发，提高内河运输的效率和安全。内河船舶驾驶的自动化水平比海船相对落后，仍然停留在传统的以经验为主的方式上。尽管通信导航技术在内河船舶得到了一定程度的应用，但如何充分利用现代信息科学在船舶识别、避碰方面的技术成果，仍是一个值得研究的课题。
本课题的目的就是充分利用船舶识别和避碰等方面的技术成果，设计一个适用于内河船舶及部分岸台的AIS接收机系统。此系统可以获得同样配备AIS的主管当局的岸台和其他船舶的信息，包括船舶识别码、船型、船位、船向、船速、航行状态和其他与安全相关的信息，并能将获得的信息在屏幕上显示出来，来提高内河水运船舶的航行效率和安全。AIS接收机是AIS系统功能的一部分，它既可以构成一个系统，也可以作为某个系统的一个功能模块，用来实现AIS信息的接收处理。从目前国内的AIS发展情况来看，具有收发功能的完整的AIS系统还不具有很广阔的市场前景，而具有单一功能的AIS接收机却有较广泛的应用。此类接收机可用于内河水域的小型船舶和部分岸台用户，以解决此类对象存在的投资、发射机实现困难、事故率较高等问题。本课题基于内河的特点和现状并根据AIS的划分和SOLAS公约对水域的规定不同，设计一个类似于B类的AIS接收机，此类AIS接收机的功能、配置和接口均得到简化，造价较低，适用于非SOLAS公约规定的近海岸活动和内河航行的中小型船舶，对航行安全提供一种保障。
3. 2系统方案设计
单纯从组成上来看，AIS接收机同完整的AIS系统是一样的，也是由通信系统和信息处理系统两部分组成。区别主要在于各部分的功能实现上。这里的通信系统只需要实现AIS信息的接收、解调等，不需要实现信息的调制发射。对应的在信息处理部分，AIS接收机只对信息进行接收处理，也就是对通信系统接收解调后的信号进行解码、信息帧的拆分、信息显示等，而不考虑信息的编码发射问题，也就不用考虑SOTDMA时隙的捕捉，SOTDMA帧协议的形成等问题。如前面所描述的，AIS接收机模块由通信系统和信息处理系统两部分组成。在本课题研究设计中，通信系统主要是指GMSK解调模块，信息处理系统是一个微
处理器模块。AIS接收机的总体方案设计框图如图3.1所示:
通过图3.1可以看出，系统的设计对微处理器模块周围的外围电路要求比较高，这一点可以作为后续处理器选型的一项重要指标。
分析AIS接收机的框图可以得出如下两种设计方案:方案1:按照图3.1来设计，系统由以下几部分组成:VHF接收机、A/D转换器、GMSK解调器、微处理器模块、显示模块和输出部分等。在方案1中A/D转换器和GMSK解调器作为两个的单元，放置在微处理器模块的前面。方案2:在图 3.1中，把虚线框内的部分(即A/D转换器和GMSK解调器两个单元)嵌入到微处理器模块中，使其作为微处理器模块的外设接口集成到处理器模块中。
上述两种方案各有自己的特点，方案1把每一部分开来，从实现的角度讲更简单一点，只要把各个模块的接口部分设计好即可;方案2更加系统化和整体化，把A/D转换器和GMSK解调器两个模块嵌入到微处理器模块中，可以统一由处理器模块来管理和调度。具体方案的选择可以根据微处理器模块外围电路的资源来选择，本课题的设计将采用方案1。此外，如果按照微处理器模块来设计方案，根据微处理器型号的不同，可以得出多种方案，关于此部分的详细说明将在后面的系统实现部分进行阐述。
系统的设计都是以某一标准或原则为基础的，本课题的研究将以第2章所叙述的AIS的标准为基础，其中主要是参考ITU-R M.1371建议案中提出的AIS技术特性标准和《1974年国际海上人命安全公约第V章航行安全及其相关导则(国际海事组织海上安全委员会73次会议通过)》，对课题的研究在理论上和技术上给予指导。
3. 3微处理器模块的设计
根据前面分析，AIS接收机模块由通信系统和信息处理系统两部分组成，信息处理部分由微处理器模块来实现。处理器模块是信息处理模块的核心部分，它主要负责解调后数据的管理、解码、处理、显示及输出。所以处理器的选型是这一部分的重点，下面将对多种处理器的特性进行分析和比较，最终选择适合本课题的微处理器。目前在市面上比较常用的微处理器主要有以下几款，单片机、嵌入式微处理器ARM, DSP及FPGA等。单片机就是在一块芯片上集成了CPU, RAM, ROM,时钟、定时/计数器、多种功能的串行和并行I/O口。它主要用于实现比较简单的控制功能，在处理速度和实时性方面较差。ARM是面向低预算市场设计的高性能、廉价、低功耗的RISC处理器，资源丰富。DSP是一种独特的微处理器，有自己的完整指令系统，是以数字信号来处理大量信息的器件。一个数字信号处理器在一
块不大的芯片内包括有控制单元、运算单元、各种寄存器以及一定数量的存储单元等，在其外围还可以连接若干存储器，并可以与一定数量的外部设备互相通信。FPGA(现场可编程门阵列)是专用集成电路(ASIC)中集成度最高的一种。作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路，FPGA既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
单片机主要用于简单控制，性能和速度比较慢。ARM具有较强的事务管理功能，可以用来跑界面以及应用程序等，其优势主要体现在控制方面，而DSP主要是用来计算的，比如进行加密解密、调制解调等，优势是强大的数据处理能力和较高的运行速度。FPGA可以用硬件描述语言来编程，灵活性强，由于能够进行编程、除错、再编程和重复操作，因此可以充分地进行设计开发和验证。
课题的微处理器模块主要是对解调后的数据进行管理和控制，要求处理器的外围电路资源比较丰富，并且解调工作是在持续进行的，这就要求微处理器模块能及时快速的作出反应，根据系统的特点和功能要求，再结合对上述几种微处理器的比较和嵌入式微处理器ARM的特性，本课题将选择嵌入式微处理器ARM来作为信息处理模块的核心处理器。
下面将从嵌入式系统的发展、特点和嵌入式系统的种类等方面展开分析和讨论，通过分析和比较，在ARM系列微处理器中选择更合适的微处理器种类。
3. 3. 1嵌入式系统发展现状及趋势
随着信息化的进程和计算机科学与技术、信号处理理论与方法等的迅速发展，需要处理的数据量越来越大，对实时性和精度的要求越来越高，低档单片机在很多方面已经无法满足对其性能的更高要求。近几年来，随着人们对嵌入式设备越来越高的应用需求，以32位嵌入式微处理器和嵌入式操作系统为核心的嵌入式技术逐渐深入到各个应用领域。
嵌入式系统是计算机的一种应用形式。常说的嵌入式应用就是将这类系统嵌入于各种设备及应用产品内部的计算机应用，相应的设备(产品)称之为嵌入式设备(产品)。嵌入式系统通常是很简单具有很长产品生命周期的自主设备。最初嵌入式系统多用于工业控制领域，它对嵌入式系统要求较低，那时的嵌入式系统的处理器运算速度较低，系统结构和功能都相对简单。近些年来，由于网络、通信技术、以计算机和软件为核心的数字化技术的迅猛发展以及32位MCU(微处理器)的发展，使得嵌入式系统从普遍的低端应用进入到一个高、低端并行发展，并且不断提升低端应用技术水平的时代，同时嵌入式产品也获得了巨大的发展机遇，为嵌入式市场展现了美好的前景。随着后PC时代的到来，嵌入式系统成了数字化技术的主角之一，并得到了广泛的应用。
3. 3. 2嵌入式系统特点及分类
在本课题中我们之所以选择嵌入式系统是由其特点决定的。嵌入式系统可以称为后PC时代和后网络时代的新秀。与传统的通用计算机、数字产品相比，利用嵌入式技术的产品具有其自己的特点:
》应用特定性:嵌入式系统通常是面向专业领域的应用，如通信终端、医疗设备、工业控制等，大多数都是为特定的用户群所设计的。
》体积小、功耗低、集成度高:嵌入式系统是将计算机技术、电子技术和材料技术与各个行业的具体应用相结合后的产物，是一门综合技术学科。由于空间和各种资源相对不足，同时嵌入式系统采用的是微处理器，的操作系统，实现相对单一的功能，所以往往不需要大量的外围器件，所以无论从硬件还是软件来看，对嵌入式系统“体积”的要求都较为苛刻，在硬件上要求系统本身的集成度越高越好，在功耗方面也有其自身的优势。
》实时性:大多数的嵌入式系统需要工作在实时方式下，需要对外部事件迅速做出反应的能力。
》稳定性:由于嵌入式系统的应用特定性，要求其具有很高的稳定性.
》开发依赖性:嵌入式系统本身不具备开发的功能。系统设计完成后，用户不能对其中的程序功能进行修改，用户必须通过专用的开发工具和环境才能进行开发。
》为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存储于磁盘等载体中。片上系统、板上系统的实现，使得以PDA、手机等为代表的这类产品拥有更加熟悉的操作界面和操作方式，比传统的电子记事本等功能更加完善、实用。从硬件角度看，嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部分，它和外围设备构成了嵌入式系统的硬件部分。根据处理器的不同，嵌入式系统可以分成以下几类：
1)微控制器(MCU } Micro Controller Unit )
微控制器俗称单片机，它把处理器、存储器、输入/输出接口都集成在一块集成电路芯片上。
2)数字信号处理器(DSP} Digital Signal Processor)
DSP处理器是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速的实现各种数字信号处理算法。
3)嵌入式微处理器(EMPU } Embedded Micro Processor Unit )
嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。为了满足嵌入式应用的特殊要求，虽然嵌入式微处理器在功能上与标准微处理器基本相同，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面都作了各种增强。与工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。
4)片上系统(SOC } System On Chip )
片上系统是在一个硅片上实现一个更为复杂的系统，它结合了许多功能模块，将整个系统集成在一块芯片内，通常都是专用的。
3. 3. 3 ARM嵌入式微处理器的选择
嵌入式系统的高速发展极大的推动了ARM嵌入式微处理器的发展。以前的嵌入式系统大多采用CISC(复杂指令集计算机)架构，该体系由于指令集庞大，指令长度不固定，指令执行周期有长有短，使指令译码和流水线的实现在硬件上非常复杂，给设计带来很大的麻烦。跟CISC相比，开发出来的RISC(精简指令集计算机)能很好地解决这些弱点。RISC以其硬件结构单纯，成本低，省电良好的优良特性受到了嵌入式系统的青睐，尤其是32位RISC处理器，而ARM正是32位RISC微处理器[33] o ARM体系自身形成了特有的技术特点，这些技术包括:
》使用Load/Store体系结构，批量传输数据，提高数据的传输效率;
》在循环处理中使用地址自动增减，以优化程序;
》在同一条数据处理指令中同时完成算术逻辑处理和移位处理:
》所有指令都可以根据前面指令的执行结果，决定是否执行，以提高指令的执行效率。
通过上一小节讨论的嵌入式系统的特点和ARM的优点并结合课题研究的需求，在本课题中我们选择嵌入式微处理器系列的ARM类型作为核心的微处理器模块。
ARM架构是面向较低预算市场设计的第一款RISC微处理器。ARM提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案。英国ARM公司开发出处理器结构后向其他芯片厂商授权制造，芯片厂商可以根据自己的需要进行结构与功能的调整，因此实际中使用的ARM处理器有很多种类，主要有三星、飞利浦、ATMEL,INTEL制造的几大类。ARM系列处理器目前主要包括ARM7, ARM9, ARM10以及基于ARM体系结构的StrongARM, Xscale处理器。ARM7是低价、低功耗、封装式常规系统微处理器，主要应用于手持式计算和消费类多媒体，最高主频可达到130MHzo ARM9系列ARM920T的硬件宏单元非常适合基于大多数OS(操作系统)平台的应用。主要应用于下一代通信设备、3G基带和应用处理器、基于OS平台设备等。ARM 10是6级流水线处理，指令与数据分离的Cache结构，时钟频率为300MHzo StrongARM性能很高，但同时价格也很昂贵。Xscal。提供了从手持互联网设备到互联网基础设施产品的全面解决方案，主要适用于广泛的互联网接入设备。
根据上面的对比和分析，我们发现ARM7, ARM9, ARM10和StrongARM都有可以满足需求的处理器。从性价比和处理器的应用对象考虑，我们通用的信号处理器采用嵌入式ARM系列的ARM920T作为核心处理器。ARM920T的微处理器是S3C2410，它是一款32位，主频可达200MIPS，由 Samsung公司为嵌入式设备设计的在高性能和低功耗特性方面提供最佳性能的微处理器。ARM920T主要完成管理、进入数据链路、送LCD显示和数据的输出等功能。
AIS通信处理模块的工作原理框图如图3.2所示:
AIS通信处理模块可以充分利用ARM开发板的资源，借助于核心处理器来对数据进行存储、管理、控制等。在图3.2中，虚线部分是GPS模块，接入此模块可以提取时间，可根据开发板的资源决定能否接入。
对应图3.1方案的总体框图，要求通信处理模块在ARM周围的外围电路主要有:SDRAM存储通信数据、Flash为处理器的存储器、多个DART, LCD接口、基带处理模块通信接口等。通信模块的原理框图如图3.3所示:
3. 4 GMSK解调模块方案的设计
根据前面分析我们知道AIS的调制方式是高斯最小移频键控，信息传输速率为9600kbps } BT值为0.3或0.5，取决于系统要求。GMSK解调模块的功能是对基带信号进行解调操作，经高斯滤波器进行滤波，其中高斯滤波器的参数和调制器的一样，取BT=0.5，再经同步算法后以9600kbps的速率输出解调结果，作为后续信号处理的输入。
当前GMSK解调模块的实现主要有以下两种方法:一是采用基于调制解调芯片的方式:二可以采用DSP芯片来实现GMSK信号的解调。下面将对这两种解调方式进行详细的探讨，选择合适的解调方式。
3. 4. 1基于调制解调芯片的GMSK解调
GMSK解调部分可以采用基于单片机和调制解调芯片的软件解调方法来实现，算法的基本框图如图3.4所示。模拟GMSK解调芯片结构复杂，灵活性低，参数配置都是通过改变片外硬件参数来实现的。在软件解调过程中面临着信号同步和判决两大问题，可以使用数字同步判决算法，通过过“零”检测和调整比特宽度来实现信号的捕捉和同步，同时为了减小信号失真对信号判决带来的影响，可以使用积分判决的方法，有效的减小相位失真和幅度失真带来的误判断。
解调芯片我们可以选用CML公司的CMX5调制解调芯片作为GMSK模块的主芯片，用来解调GMSK信号。该芯片的解调电路如图3.5所示:
CMX5是为无线电数据应用而设计的单芯片同步数据调制解调器，主要适用于4-kbps的速率，BT值可选为0.3或0.5，可工作于双工或半双工状态。CMX5发射接受数据接口采用串行形式，同步产生发射、接收数据时钟，具有的发射、接收“节能”模式，波特率以及BT值等可以根据需要由处理器来控制，所以它能够符合AIS接收机模块的要求。
下面将对与AIS接收机相关的几个引脚进行说明:如图3.5中，1, 2引脚是外部晶体振荡器信号输入，为芯片提供时钟信号;3, 4脚为设置CMX5在不同晶体振荡输入时选择信号发送的波特率，由于AIS系统需要9600bps的波特率，若设计选用4.9152MHz晶振，则3脚接高电平，4脚接地;9脚是芯片内部电路偏置线，该管脚需要1个电容祸合到电源供应端，且电容安装时应尽量靠近芯片;10脚为接受信号放大器与接收滤波器的反馈端:11脚为GMSK接收信号的输入端，该信号输入到接收信号(Rx)输入放大器;12脚是信号的接地端;13, 14脚通过电容连接到信号的地端:15脚设置芯片的BT值，接高电平时BT=0. S，接低电平
时BT=0.3; 20脚接收解调后的接收数据输出端，它必须与接收信号时钟同步;21脚接收信号时钟同步信号输出;24脚接芯片供电电源。
在这种解调方案中，我们可以借助于单片机来对芯片进行控制，此时20脚连接到单片机的一个I/O口上，用来向单片机输入GMSK解调后的信号，21脚连在单片机的一个外部中断上，用以触发外部中断，使单片机读I/O上的信号，最后由单片机的串口向核心处理器输入AIS的数据。单片机可以采用普通的51芯片，这种方案可以满足AIS接收机的要求，特点是性价比比较高。
3. 4. 2基于DSP的GMSK解调
AIS基带GMSK信号的解调还可以采用基于DSP处理器的解调方案。采用这种方案，还需要有A/D模块的支持。其中DSP处理器可以采用DSP54x系列，它是TI公司推出的新一代16位定点数字信号处理器。AfD芯片可以用AK5383芯片，接口方式采用串行接口，AK5383是一款24位的A/D数据转换器，采样频率可达108kHz，可以满足系统的要求。
基于DSP的GMSK解调器如图3.6所示。两路差分((I路和Q路)基带信号分别以9600bps的速率进入该解调器，经串行A/D器件转换后，I路和Q路基带的数据按bit依次串行进入解调算法，高斯滤波器对其滤波成形。经高斯滤波器后的数据Y和X进入Arctg()函数求角度，然后差分求得频率，低通滤波后，再通过位同步、帧同步进行同步处理，这样就可依
次以9600bps的速率输出解调结果了。
基于DSP的GMSK解调器的软件算法流程如图3.7所示。如图中所示，调用Arctg()函数求角度、差分以及低通滤波都是典型的FM解调流程。捕获同步头是解调器重点解决的技术问题。我们知道待调制的168个有效数据经HDLC打包后扩充为256bit，其中帧头有24个训练码0101......01. NRZI编码后为00110011......0011，作为捕获同步头所用。所以在解调器里，接收的数据经过FM解调后，就进入“捕获同步头”步骤:可用一个数组作移位寄存器，数据依次进入，给寄存器里前10个数据之和和后10个数据之和的差值定个合适的门限，然后用过零法判断训练源码是“0"或，}.1 ;，一旦找到和24个训练码完全一致的同步头就认为完成位同步和帧同步，后面的数据依次接收、过零判决即可解调出所有源码。
比较之后我们发现，基于DSP的GMSK解调算法的流程更清晰和容易实现，DSP比较适合于信号的调制解调，并且具有强大的数据处理能力和较高的运行速度，只是造价稍微偏高。在本课题中我们将采用这种方案来实现GMSK信号的解调，利用System View工具对系统进行实验仿真。System View是美国ELANIX公
司推出的，基于Windows环境用于系统仿真分析的可视化软件工具his]。在这一部分中将基于调制和解调的原理，并参照GMSK基带信号解调算法的流程，采用System View仿真工具，通过设计模块参数进行模块的仿真，用来评估系统算法的优劣
3.5.
系统其他部分的设计
本小节将对显示模块和输出部分的方案设计进行说明。
1显示模块
我们采用的开发板HHARM24I 0可支持多种LCD屏，例如黑白单色屏、STN彩屏以及TFT彩屏等[19]。在开发板的套件中可供选择的LCD有两种，240 x 320 TFT彩屏LCD, 160 x 160象素黑白单色触摸屏。此外还可定制支持各种其他的屏，例如10.4寸0 x 480的大屏等。我们在套件中选择的LCD是:240 x 320的TFT彩屏LCD，这是目前标准套件中的标准配置。LCD型号是夏普LQ035Q7DB02，这是一款3.5寸的彩色TFT液晶屏。下面是LCD的部分基本参数，显示尺寸(HxV):53.x71.52mm，外形尺寸(HxVXD): 65.Ox85.OX4.5mm，分辨率:240xRGBX320}显示颜色:262K。
要想把信息准确的显示在LCD上，我们还需要图形用户接口GUI ( GraphicsUser Interface)的支持。GUI在嵌入式系统或者实时系统中的地位越来越重要，这些系统对GUI的基本要求包括轻型、占用资源少、高性能、高可靠性、可配置等特点。我们应结合ARM9的特点来选择合适的GUI，以实现对显示的支持。常见的嵌入式图形用户界面GUI主要有以下几个:
1) Micro Windows是一个较早出现的开放源码的嵌入式GUI软件，目前有美国Century Software公司主持开发。Micro Windows是一个基于典型客户端/服务器体系结构的GUI系统，它的主要特色在于提供了比较完善的图形功能，支持多种外部设备输入，包括液晶显示器、鼠标和键盘等。
2 ) QT/Embedded(简称QTE)是著名的QT库开发商Trolltech发布的面向嵌入式系统的QT版本。 Linux0桌面系统的KDE就是基于QT库开发的。QTE是用C++语言写的，这样增加了系统资源的消耗。
3 ) MiniGUI是一个适用于嵌入式系统的、功能强大的、轻量级的图形用户界面支持系统，早期由魏永明先生和众多志愿者开发，是我国为数不多的在国际比较知名的自由软件之一，现在由北京飞漫软件技术有限公司拥有版权并主持和维护的自由软件。在这里我们选择MiniGUI作为系统的图形用户界面，比较其他的GUI系统，MiniGUI有如下特性:几乎所有的MiniGUI代码都采用C语言开发，易于移植;提供了完备的多窗口机制和消息传递机制以及众多控件和其他GUI元素;支持多种流行图像文件，如位图、图标和光标等;Windows的资源文件支持，包括JPEG, GIF, PNG, TGA和BMP等;完善的字体和字符集支持，提供图形抽象层(GAL)以及输入抽象层(IAL )以适应嵌入式系统各种显示和输入设备，提供了丰富的应用软件。
ARM开发板采用嵌入式Linux作为操作系统，这一操作系统为型号不同的LCD提供了相应的framebuffe:底层驱动，可以对Micro Windows } MiniGUI等嵌入式图形系统提供良好的支持。我们可以在对内核进行编译的时候选择对应的选项。配置好选项之后，把LCD液晶屏与ARM开发板的LCD接口相连接，再借助于图形用户界面MiniGUI就可以对显示模块进行操作了。
3. 5. 2输出部分
输出部分是为了其它模块或者设备的调用而设计的。对AIS接收模块接收到的数据进行正确性检测，数据正确后，对数据进行重新打包，使其符合IEC611 s62的标准，这样就可以利用ARM9开发板的串口输出这些数据了。这一部分主要是利用开发板的UART串口来实现对数据的操作。
第四章 关键技术的研究和设计
本章将根据前面设计的系统方案，对各功能模块涉及的关键技术展开深入分析和讨论，主要是微处理器涉及的嵌入式技术，研究的开发平台，GMSK解调技术，AIS的同步技术等。
4. 1嵌入式系统技术
根据前面系统方案的设计我们知道，本课题选择的微处理器模块是嵌入式系统系列的ARM920系列，下面将分析嵌入式系统的组成，选择适合本课题研究的嵌入式操作系统。
4.1.1嵌入式系统的组成
从组成上看，嵌入式系统可分为嵌入式硬件系统与嵌入式软件系统两大部分，如图4.1所示。
嵌入式硬件系统主要是由嵌入式处理器及相关支撑硬件和外围电路等组成。其中，嵌入式处理器在嵌入式硬件系统中处于核心地位，在我们的课题研究中使用的是S3C2410。嵌入式软件系统通常可划分为嵌入式操作系统和应用软件两部分。在一些复杂的系统中，为了简化应用开发，还提供了一个中间层(嵌入式中间层)。
从图4.1可以看出，操作系统处于上层软件和嵌入式硬件系统的中间，在嵌入式系统中处于重要的地位，起着至关重要的作用。它负责控制与管理嵌入式硬件系统，将硬件的复杂性隐藏起来，为上层软件设计提供一个统一易用的应用程序编程接口，以降低应用软件开发的复杂性。同时，作为嵌入式系统软硬件资源的管理者，它负责系统软硬件资源的调度与分配，保证系统资源被有效合理的使用。总而言之，嵌入式操作系统的出现与使用是嵌入式系统发展过程中的一个重要的里程碑，它掩盖了底层硬件的复杂性，提高了软件的开发效率和软件的可维护性。
4. 1. 2嵌入式操作系统的选择
根据嵌入式系统的组成，我们知道嵌入式操作系统是嵌入式系统的一个重要部分。我们需要的是一个便宜、成熟并且提供高端嵌入式系统所必需特性的操作系统，下面将通过分析各种操作系统的功能和特点，最终选择比较适合本课题的操作系统。
虽然，许多简单的嵌入式系统并不需要嵌入式操作系统(如单片机控制)。但是随着嵌入式系统复杂性越来越大，操作系统也就显得越来越重要了。因此需要专门的嵌入式操作系统对复杂的嵌入式软件系统进行合理的控制。
现在全世界的嵌入式操作系统多达数百种，而且新的嵌入式操作系统还在不断涌现，很多IT组织、大公司都有自己的嵌入式实时操作系统。其中比较出色的有:VxWorks, QNX, Nucleus Embedded, ThreadX, eCos, Windows CE, Palm OS,Symbian, Linux等等。
VxWorks操作系统是美国WIND RIVER公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统(RTOS)，是目前嵌入式系统领域中使用最广泛，市场占有率最高的系统。它支持多种处理器，如x86, i960, Sun Sparc, Motorola MC68xxx,MIOS, POWER PC等等，但是VxWorks的价格也很昂贵。Microsoft Windows CE是一个简洁、高效率的多平台操作系统，主要面向PDA与手机市场。它是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、多任务的操作系统。其缺点是不具备大多数嵌入式系统要求的实时性能，而且对硬件的要求很高，难以移植，耗电比较大。
QNX是由Quantum Software Systems公司开发的嵌入式实时操作系统。它提供了一个很小的微内核以及一些可选的配合进程。其内核仅提供4种服务:进程调度、进程间通信、底层网络通信和中断处理，其进程在的地址空间运行。Palm OS是美国Palm Source公司的主打产品，它是一款优秀的PDA操作系统，具有很好的易用性，且具有较好性能，可以在一些较低端的CPU上运行。但Palm OS只在得到Palm授权生产的设备中使用。Symsbian也被称为EPOC系统，这是由Psion公司最早开发的一个专门应用于手机等移动设备的操作系统。
Linux自1991年10月5日问世至今，仅有十几年的时间，而它在全球计算机产业界的影响却超过了之前的任何一个操作系统。Linux为嵌入式操作系统提供了一个极具吸引力的选择，它是个和Unix相似、以核心为基础的、完全内存保护、多任务、多进程的操作系统。同时Linux又是一个成熟、稳定的网络操作系统，把它作为嵌入式操作系统具有很多显著的优点。Linux是遵循GPL协议的开放源代码软件，任何人都可以从互联网上得到，不需要许可证费用，开发成本低。Linux的核心代码是开放的，所有人都可以根据自己的意图修改和定制开发适合自己的产品。Linux内核代码易于裁剪，可以根据应用具体需要增加或剪裁某些功能，以适应产品的需求。Linux核心代码采用移植性比较好的C语言编写，可以很容易的移植到其他处理器上，可支持的处理器种类众多。
Linux应用软件众多，在开发嵌入式产品时，有许多公开的代码可以参考和移植，可加快开发进程。
简言之，Linux作为一种可裁减的软件平台系统，是发展未来嵌入式设备产品的绝佳选择，况且，Linux更小、更稳定，而且是免费的，在价格上极具竞争力。通过对以上操作系统的分析并结合本课题的要求，从支持CPU种类、开发工具、价格和技术支持等方面考虑决定采用嵌入式Linux操作系统。
4.1.3嵌入式系统开发模式
嵌入式系统的开发与通常PC机上的软件开发有很大的区别，原有的PC机的软件过程从编写程序、编译和运行等过程全在同一个PC机平台上完成(Native模式);嵌入式开发的程序编写和编译还是在PC机(Host )上完成，但编译产生的结果要在嵌入式目标平台(Target)上运行。通常将这种在主机上开发编译，在目标平台上调试运行的开发模式称为交叉开发。同样，运行在主机上的编译器(例如GCC)编译程序产生目标机上运行的可执行程序的编译过程称为交叉编译。嵌入式系统采用这种交叉开发、交叉编译的开发模式主要是因为嵌入式系统是种专用的计算机系统，采用量体裁衣，量身定制的方法制造，它的这种特点使其与通用PC机的开发与使用特点有很大的不同。
图4.3是一个嵌入式交叉开发环境的示意图。由图可以看出，一个嵌入式系统的开发环境一般包括嵌入式目标板、开发用的宿主PC机和硬件调试器，它们之间通过串口、JTAG或BDM等调试接口和网络等接口互相连接。其中嵌入式系统运行于嵌入式目标板上，这些软件所对应的程序开发和编译在宿主机上运行，程序的调试则由宿主机通过硬件调试器控制目标机执行相应的操作实现。但是在很多情况下，硬件调试器并不是必需的。例如运行嵌入式Linux的系统，硬件调试器只在Bootloade:程序开发以及Linux内核移植时有可能需要使用。应用程序的开发通常是Linux操作系统在嵌入式目标板上运行起来之后进行。此时，更多的是在宿主机上使用GDB通过网络(或串口)与目标板通信，进行程序的调试( Semi-Hosting模式)。也就是说，硬件调试器多在底层软件开发调试时使用，对于应用程序的开发调试通常使用其它的手段。本文采用的嵌入式系统是嵌入式Linux，是在目标板的基础上进行应用程序的开发，所以没有硬件调试器。
4. 2基于S3C2410的ARM9硬件开发平台
本课题所使用的硬件平台是华恒公司的HHARM2410开发板，其处理器采用韩国三星电子公司的S3C2410o S3C2410芯片基于AluVI920T内核，采用五级流水线和哈佛结构，提供1.1 MIPS/MHz的性能，是高性能和低功耗的硬宏单元。ARM920T具有全性能的MMU、指令和数据Cache以及高速AMBA总线接口。内核结构如图4.4所示。
作为S3C2410芯片的CPU芯核，16/32位ARM920T RISC微处理器采用0.18umCMOS标准单元结构，具有的16kB指令缓存和16kB数据缓存。 我们选择S3C2410是由其片上集成的功能决定的，它提供了一套比较完整的通用系统外围设备，并且使整个系统消耗最小。S3C2410微处理器的特性如下：
》ARM920T嵌入式处理器内核，主频可达203MHz;
》扩展总线最大频率100MHz;
》32位数据，27位外部地址线;
》完全静态设计(0-203 M ) ;
》存储控制器(八个存储体);
》包含R.AM ( SDRAM)控制器，NAND控制器;
》复位时引导芯片选择(8-} 16。比特存储或NAND可供选择);
》四个带有PWM的16位定时器;
》多达55个中断源的中断控制器:
》RTC;
》三个UART} Supports IrDA 1.0;
》四个DMA通道;(支持外设DMA )
》8通道，500KSPS } 10-bit ADC;
》支持STN与TFT LCD控制器;
》看门狗;
我们选用HHARM2410作为系统的硬件开发平台是由其自身的结构特点决定的，此平台具有通用性和可扩展性，下面将探讨该平台的特性。
HHARM2410是华恒科技公司推出的用于高端手持设备、微型智能控制设备的开发套件。采用203MHz的ARM920T内核的处理器S3C2410。该款套件核心板的尺寸仅相当于名片的2/3大小，尺寸如此小巧的嵌入式核心板是国内首创。
S3C2410内部集成了微处理器和一些手持设备的常用外围组件，特别适用于手持产品。S3C2410微处理器是一个多用途的通用芯片，它内部集成了微处理器和常用外围组件，可用于各种领域。它是应用于手持设备的低成本实现，提供了更高性价比。
HHARM2410套件由核心板和底板(外设板或称基本板)组成，核心板上集成Samsung S3C2410处理器，M的 SDRAM以及16M的FLASH，为后续的应用研发提供了足够的空间。底板上则提供以下外设接口:一个四线RS-232串口(COM1)，一个USB HOST接口，一个l OM/100M自适应以太网接口，一个TFTLCD接口，一个触摸屏接口。核心板和底板配合即构成一个最小的完整应用系统。系统具有体积小、耗电低、处理能力强等特点，能够装载和运行嵌入式Linux操作系统。HHARM2410开发套件硬件主要结构:
Sumsung S3C2410处理器
16Mbytes 16位FLASH
Mbytes 32位SDRAM
一个四线RS-2犯接口
一个l OM/ l OOM自适应以太网接口
一个TFT LCD接口
一个触摸屏接口
JTAG接口
9V直流电源(需要客户自己购买)
H/W复位建
运行状态指示LED灯
综上，可以看出该平台提供了部分系统外围设备，这样就减少了整个系统的成本，同时还具有体积小、低功耗和可扩展等特点，比较适合课题的研究。
4. 3基于S3C2410的ARM9软件开发流程
嵌入式系统是一个受资源的系统，因此直接在嵌入式系统硬件上进行编程是不合理的。在嵌入式系统的开发过程中，采用的方法一般是在通用PC上编程，然后通过交叉编译连接，将程序做成目标平台上可以运行的二进制代码格式。嵌入式软件的编写和开发调试的主要流程为:代码编写一交叉编译·交叉连接·重定位下载.调试。
本课题将以华恒的HHARM2410开发板为目标板进行应用开发，我们将结合嵌入式系统的应用程序开发流程总结出基于ARM9开发板的开发流程。在嵌入式系统的开发中，建立起交叉编译环境的机器称为宿主机，需要运行嵌入式系统的机器环境称为目标板。本课题的宿主机是一台运行LINUX的PC机，目标板即华恒的HHARM2410开发板。应用程序的开发一般有如下两种模式:
1)先在宿主机(Intel CPU)上调试通过后，再移植到目标板(HHARM2410 )上。移植的工作包括两个方面:函数库的问题。在程序移植时可能会有函数未定义的问题。对于这种问题，一般要求开发者自己编制这些要用到却又未定义的函数。要修改Makefile以选择适合目标板的编译工具，建立起交叉编译环境。
2)直接在目标板上进行开发。将宿主机和目标板通过以太网连接，在宿主PC机上运行minicom作为目标板的显示终端，在目标板上通过NFS(网络文件系统)来mount宿主机硬盘，让应用程序直接运行在目标板上进行调试，如图4.6所示:
其中模式2是通用的开发模式[36]，在本课题的研究中我们将采用这种模式对软件进行应用开发。从图4.6我们不难看出，这里采用的交叉编译器是:armv41-unknown-linux-gcc，它被放置在//opt/host/armv4llbin/目录下。chmod 777 ais是Linux命令，其作用是所有使用者对ais文件有读、写、执行和修改等权利。
4. 4 GMSK基带信号的解调设计
AIS工作在甚高频频段，基带信号采用GMSK调制解调，下面将对GMSK信号的原理、特点和解调进行分析。
目前，在移动通信系统中，GMSK调制方式越来越引起人们的关注，这是由于GMSK调制方式具有较好的频率谱特性，其误比特性能也较优越，特别是其具有较小的带外辐射能量的特点，很适合于工作在VHF和UHF频段的移动通信系统。在讨论GMSK之前我们有必要先了解一下MSK的相关知识。GMSK相当于在MSK前加了高斯滤波器。
4. 4. 1 GMSK的理论依据
GMSK ( Gaussian Filtered Minimum Shift Keying)又称为调制前高斯滤波的MSK，它采用高斯滤波器作调制前基带滤波器，使基带信号成形为高斯脉冲，再进行MSK调制的一种调制方式。GMSK与MSK的主要区别就在于，GMSK在MSK的基础上加了个高斯滤波
器，是基带数字信号经高斯低通滤波器处理的MSK调制[42] o GMSK信号的产生原理如图4.7所示:
这种预调制滤波器必须具备以下特点：
a)带宽窄并且具有陡峭的截止特性，以抑制高频分量;
b)冲激响应的过冲较小，可以防止过大的瞬时频偏;
c)滤波器输出脉冲面积为一常量，该常量对应的一个码元内的载波相移为 二/2，使调制指数为0.5 。一种满足上述特性的预调制滤波器就是高斯低通滤波器，其冲激响应如式
( 4. 1)所示:
式中，。
4. 4. 2 GMSK基带解调
无线通信中，信号的解调因为调制方式的不同而不一样，解调方法大致有两类:相干解调和非相干解调。传统的GMSK信号的解调有如下几种方式:
1) GMSK信号的相干解调
由于GMSK信号的基本特征是与MSK完全相同的，其主要差别是GMSK信号的相位轨迹比MSK信号的相位轨迹平滑，因此MSK的正交相干解调电路也适用于GMSK的相千解调，采用平方环的正交解调电路如图4.8所示:
2 ) GMSK信号的差分解调
GMSK信号的差分解调有两种方案。第一种方案是1 bit差分解调，第二种是2bit差分解调，分别如图4.9和图4.10所示:
3 ) GMSK信号的多门限解调
当BbTb较小时，由于高斯滤波器的使用，使得基带信号眼图的张开度很小。如果采用传统的零门限判决法，就会使系统的无比特率性能很差。多门限判决的基本思想就是通过积分和判决反馈技术，来自适应改变判决门限，从而改善系统的误比特率性能。可采用二门限判决法和四门限判决法来实现。一般而言，相干解调性能比非相干解调好，相干解调用硬件电路来实现且电路简单，但其不足也显而易见，如“门限效应”等。软件无线电的几乎所有功能都可以用软件来实现，解调也不例外。软件无线电的解调一般采用相干解调的方法。所谓相干解调就是指用一个同频同相的本地载波去相干解调，当同频同相不满足时，解调输出就会严重失真。例如，在移动通信中，接收到的信号受到严重衰落时，提取出的载波质量往往达不到要求，特别是在多普勒效应引起的频偏环境下更是如此。由于正交解调法在一定程度上能克服以上这些弱点，因此，软件无线电的解调一般采用数字正交解调法。本课题将基于数字正交解调法来实现。
下面将对GMSK信号进行详细的数学推导，以便获得解调的数据。GMSK的解调就是要把发送端的原始码元从调制信号中通过一定的算法重新提取出来。而GMSK的调制信号具有一定的特征，同时又满足一定的条件，为我们的推导带来了方便。
首先，让我们看一下GMSK信号的表达式，GMSK信号是满足一定的表达式的，如公式(4. 2 )
经收发信机进行混频，设混频信号如式((4. 3)和((4.4)所示:
其中wL。为本振信号,q0为本振宇接收信号的相差，通过混频后可以得到式( 4. 5)的结果:
其中，诚q(t)的表达式如((4. 6)所示:
同理，可以得到Sq(t)的表达式((4. 7):
我们对GMSK信号进行解调的目的就是要恢复出信号an，以达到信息接收的
目的
根据式(4. 5 )和(4. 7 )，现在做下面的变换:
再对Sb (t)求反正切，如式((4. 9):
然后将这个信号对时间t求导数:
根据((4. 10)式可以看出，此时得到的信号就是调制时双极性不归零码元通过高斯滤波器后的波形，通过和调制时的信号比较不难看出，这里多了一个(wc -wlo)，(wc-wlo)是接收信号与本地载波的频差，我们可以把这部分去除，去除频差后，再通过过零判断的方法就可以得到信号的波形了。
4.5 AIS系统中的同步
AIS系统的定时确保全网中有统一的时间基准，使整个系统协调的进行信息的传输、处理和交换，以实现同步管理、控制和操作;同步要求整个系统的时钟要相同，接收端要能正确识别出信息码流中帧排列的规律，以实现较低的误码率。
4. 5. 1 A I S系统的同步
同步的概念确切地讲，就是整个系统的时钟要相同，以保证正确的接收。在TDMA移动通信系统中，要保证通信的正常进行，必须满足位同步和帧同步2种基本的同步。
1、位同步
位同步又称比特同步，通常要用NRZI即序列10s10"""…作为同步信号。其作用是把发射端和接收端时钟对准，使码位对齐，以给出每一个码元位置的正确判断时刻。位同步是系统建立同步的基础，是接收机正确接收的前提保证。位同步的实现方法有2种:一种是专门的信道传输;另一种是插在业务信道中传输，比如在每个时隙前发送一段“1”和“0”的交替信号作为同步信息。此外，有些通信系统中，直接从接收的数字信号中提取，用这种办法可以不再发送专门的同步码。但考虑到TDMA系统是按时隙以碎发方式传输信号，为迅速、准确而可靠地获得位同步信息，一般不采用这种办法。
2、帧同步
帧同步就是在发送端发出的数据码流中按特定的规律插入特殊的码型，使得接收端通过这些特殊的码型识别出码流中每一帧的开头或一帧的结尾，从而正确地分路、分字或分句。帧同步的实现方法有2种:等间隔分散插入和集中插入方式。等间隔分散插入就是同步码等距离地插在每帧的最后一个码位之后，这种插入方式的最大特点是同步码不占用信息时隙，同步系统的电路较简单，但是同步引入时间长。集中插入方式(亦称序列方式)将同步码集中插入一帧的一个时隙中。这种插入方式要占用信息时隙，但缩短了同步引入时间，有利于开放数据等多种业务。
4.5.2 AIS系统的同步技术分析
AIS的数据传输采用TDMA技术，系统的定时和同步，是TDMA系统建立通信的关键。AIS按帧来传输信息，数据必须在规定的时隙内完成一帧信息。我们知道为了避免AIS系统的内部干扰，AIS系统采用主、从同步法，参考时钟为UTC，其它与UTC相关的时间也可以作为参考。在船舶自动识别系统中，可以使用下列四种时间同步方式。
1)直接UTC同步
由于船舶一般都装备了GPS，因此可以利用GPS定时得到UTC时间。利用GPS定时可以使AIS系统中的船舶用户于基站运行。
2)间接UTC同步
如不能直接获得UTC时间，可以通过接收其他与UTC同步的用户信息进行同步。间接UTC同步只允许一次间接。
3)与基站同步(直接或间接)
不能直接或间接与UTC同步，但能接收基站发射信息的移动站，则应与接收站数最多且在最近40s内有两次报告被其他站接收的基站进行同步。
4)与移动站同步
当在一定区域的所有用户都不能使用UTC基准并且也不能接收基站的信息时，则这些AIS用户可以同步于其中的一个AIS用户。
AIS船台实现同步的方式有以下两种:
(1)发射台的同步方式
发射台的同步流程如图4.11所示:
AIS系统1 min为一帧，每个时间为一个的信道，信道内的时隙编号0-22490 AIS为所发的信息分配一个编号，信息将在对应此编号的时段被发送出去。AIS接收系统也必须在这一时段将信息接收进来，其中0时隙是一帧的起始时段。基地台每l Os发送报告，直到发现有一个或多个电台和它同步为止。同步基地速率，保持这个速率直到3min，电台要与之同步，移动台应调整速率至MAC同步移动速率。
发射台的同步方式有以下两种:
①基地台同步方式
基站只有在AIS船站与UTC直接同步时才发射同步序列。如果没有AIS船站与UTC直接同步，基站就改变报告速率，将发射周期提高到每3s发射一次。
② AIS船站同步方式
AIS船站如果是船舶识别码MMSI最小且最多被接收的台站，就将发射速率更新为每2s一次，并交替发送包括其时隙号在内的位置报告和UTC时间报告。如果不是，则使移动台在发射时隙号和接收台的数量之间更替通信状态。
(2)接收台的同步方式
接收台的同步方式流程如图4.12所示。这种同步方式有以下两种:
①如果接收台直接或间接UTC有效，进行调整使接收台与UTC时钟重新同步。
②接收台本身的发射时隙号与接收时隙号相同，表示接收台己经实现了时间相位同步并继续保持相位同步;如果不同则采用其它同步源。
由前面的分析我们知道，AIS采用的是序列方式将同步码集中插入一帧的一个时隙中的，作为接收端我们要捕获同步头。同步头可以通过如下步骤获得:可以定义一个数组作移位寄存器，数据依次进入，给寄存器里前10个数据之和与后10个数据之和的差值定个合适的门限，然后用过零法判断训练源码是“0”或“1"一旦找到和24个训练码完全一致的同步头就认为完成位同步和帧同步。
4.5.3 AIS系统的同步设计
GPS采用的时间系统是以原子频率标准作为基准的。该时间系统于1998年1月6日Os时与UTC对准，此后由GPS主控站密切跟踪UTC以保持高度一致。我们知道一般的船舶都装有GPS接收机，AIS船台可从GPS接收机获得GPS时间，通过GPS的时间得到UTC时钟信号，以便达到定时和同步的目的。需要注意的是GPS时间系统与UTC有所不同，GPS时间系统不作跳秒修订，因为时间的调变将使卫星不能连续导航。这就使得GPS时间系统与UTC有整秒的差异。所以我们在使用GPS的时间系统时要考虑随即误差，使误差控制在一定的范围之内。
1)位同步
在任何数据传输系统中，对位同步电路的基本要求是同步误差小;同步建立时间短;专门为同步所占用的概率和频带尽量小。主要的位同步技术有最大后验技术、早迟门技术和数字跟踪环技术。最大后验技术需要用本地时钟和接收信号进行相关，搜索时间长。数字跟踪环技术实现复杂，在这里我们采用早迟门技术实现位定时。AIS的协议要求帧的训练码为24位，由交替的0和1构成，用于接收方应答机的位同步。该数据包要发送出去交替的0和1在通过NRZI编码后变为001100110011001100110011。进行NRZI之前的}I}练码与完成NRZI后的}I}练码的
波形如图4.13所示。
由图4.13可以看出，训练码进行NRZI编码后，频率降低了一倍。可以把两位两位的组合起来，每次以20个点来判断。要进行位同步，得出的信息进行位定时取出最佳采样点的值，再判决解调的数据，同步码的波形较好，可以采用早迟门算法来实现。首先让解调的数据通过一个FIFO，任意规定一个参考码元，将其起始时间作为接收码元的起始相位，前一个码元周期时间称为“早门”，后一个码元周期时间称为“迟门”，对参考码元的前一个周期与后一个周期的能量进行比较即可判断出采样点相对最佳采样点的位置，从而做出相应的调整。这种算法具有实现简单，同步建立时间短且可控等优点。
2)帧同步
在检测到同步头后，我们还必须对数据帧进行帧同步。因为在进行位同步时不一定全部都检测完，可能还有一段同步头的数据没有进来时己经判断同步头检测完毕，所以帧同步的目的就是将数据帧对齐，以便后面的有效数据包能够正确地读取。
通常帧同步是一个00000001或者11111110的数据，通过数字滑动相关检测器可以正确地检测到帧同步信号。同步头有两种，即正相和反相，这是在解调数据进行除法运算时导致的。所以我们在帧同步时还必须识别信号是否反相，反相时帧同步为11111110，后面接收的数据也相应的作取反操作。识别完头部还要识别帧尾，数据帧的尾部与头部一样时，一个完整的数据帧就取出来了。
第5章系统软件设计仿真与解码显示
本章将围绕AIS接收机的软件设计和实验仿真两个方面展开。讨论数据的接收流程、AIS数据包的解包及打包流程等软件流程，对GMSK的调制解调信号进行仿真分析。
AIS接收机模块软件主要完成以下几方面的功能:
》读入从GMSK解调模块输出的数据，并判断是否为AIS的数据包，如果是，则对读入的数据进行解码、解包等操作，再根据AIS数据包的格式提取出有用数据。
》对提取的数据进行CRC校验，检测数据的正确性，如果正确则对数据重新打包，使其符合IEC61162的标准，以便从串口输出;如果错误，则舍弃提取的数据。
》从ARM9 S3C2410开发板所连接的LCD模块显示AIS数据。
》从^RM9 S3C2410开发板的串口输出符合IEC61162标准的数据。
5. 1 A I S接收机的软件设计
根据分析我们知道AIS主要实现上面几部分功能，下面将对AIS接收机的部分流程作详细的说明，通过分析得出部分功能的软件流程图。
5. 1. 1 AIS数据的提取及解包
根据本课题前面几章的分析，我们知道AIS的数据包采用HDLC(高级数据链路控制协议)的标准格式，并在GMSK调制之前进行了NRZI(反向不归零码)编码，因此接收机在处理GMSK解调后的数据时，首先要判断数据是否为AIS数据包，如果是则对数据进行解码，并对解码后的数据进行解包，提取HDLC数据格式中关于AIS信息的那一部分有用数据，提取数据的程序流程图如图5.1所示:
由图5.1我们可以看出接收到的数据是经HDLC打包的数据，这部分数据将交由ARM来处理，ARM将对接收到的HDLC数据包进行解包操作，解包的流程如图5.2所示。
5.1,2 AIS数据检测、重新打包及输出
在数据提取完成后要检测提取数据的正确性。提取的数据包含有AIS信息和信息的CRC校验码两部分。所以，当收到数据结束标志，数据接收结束后，要对接收的AIS信息部分进行CRC校验，与接收到的CRC校验码进行比较，如果比较有误，则舍弃整个数据，程序流程如图5.3所示。
要想将数据输出出去，需要将接收的数据进行打包操作。我们收到的ASCII码是被逗号分割成几段的，应该将每一段的ASCII码字符转换成二进制数，再合成168bit的二进制数据格式，然后HDLC打包，HDLC的打包流程如图5.4所
如果正确数据根据IEC61162标准进行重新打包操作后，我们就可以利用ARM开发板的串口输出这部分数据了，输出的目的是为了其他模块或者设备调用。程序流程如图S.5所示:
5. 2 GMSK基带信号的仿真
本小节将根据第4章推导的公式对GMSK基带信号的调制和解调通过System View仿真软件进行仿真。利用System View这一工具，可以很方便的验证电路模型的设计方案、确定算法流程、修改设计参数。
在仿真过程中高斯滤波器的设计很关键，由于FIR滤波器的幅度特性可设计成多种多样，同时还可保证精确、严格的线性相位特性，在整个频带上获得常数群时延，通常高斯低通滤波器都采用FIR滤波器的结构。通常将高斯滤波器的3dB带宽B和输入码元宽度T的乘积BT值作为设计高斯滤波器的一个主要参数。BT值越小，相邻码元间的影响越大，且GMSK信号功率谱密度的高频分量衰减越快，主瓣越小，信号所占用的频带越窄，带外能量的辐射越小，邻道干扰也越小。利用System View的Operator/Filter工具，可以直接设计各种可变参数的高斯低通滤波器，只需输入滤波器带宽和抽头数，就能生成所需要的FIR滤波器系数。PN序列发生器可以随机产生++1，-1的信号，经高斯滤波器，使其波形变得平滑，在高斯滤波器里我们需要设定一系列的参数，如系统的采样率是%kHz,码元速率是9600Hz，根据BT=0.5，可以得到滤波器的带宽是B=4.8kHz，输入采样率后，系统会自动生成滤波器的抽头阶数是21，生成的系数为:1.2182171401991 E-04,
4.71183399420955E-04，1.58058118012742E-03，4.59838343383009E-03
1.160259430895E-02，2.53902269262624E-02，4.81880783306237E-02
7.931844341128E-02，0.113232294527059，0.14019353380241
0.150********7851，0.14019353380241，0.113232294527059
7.931844341128E-02，4.81880783306237E-02，2.53902269262624E-02
1.160259430895E-02，4.59838343383009E-03，1.58058118012742E-03
4.71183399420955E-04. 1.2182171401991E-040 21抽头的高斯低通滤波器的冲激
响应和输出信号仿真波形分别如图5.6和5.7所示:
根据仿真模型可以对GMSK信号的调制解调进行仿真，下面将对调制和解调信号进行分析，调制前的PN序列如图5.8所示，经解调后的PN序列的波形如图5.9所示:
我们把图5.8和图5.9进行比较观察可以看出，解调以后的信号与调制前的PN序列仅仅存在部分延迟，我们可以将调制前的信号恢复出来，这就验证了设计思路的正确性，说明方法是可行的。
5.3 AIS的解码与显示
我们接收到的AIS信息都是经过数字化或者压缩了的数据，要想获取真实的信息，还需要按照规定的格式进行解码。
5. 3. 2 A I S信息种类
根据ITU-R M.1371的分类，AIS消息共分为22类。本次课题所用船台AIS中接收到的信息主要为其中的三类:船舶动态信息(Dynamic Information );船舶静态信息(Static Information );航行相关信息(Voyage Related Information )。船舶的动态信息中包括:海上移动船舶标识号(MMSI )，航行状态，转向率，对地速度，位置精度，经度，纬度，对地航向，船首指向等等。船舶的静态信息和航行相关信息包括:MMSI，呼号，船民，船货类型，天线位置，估计到达时间(ETA)目的地，吃水深度等等。
下面以信息ID码为1的信息为例，说明AIS信息种类的具体结构。
!AIVDM, x, x, x, a, I S -S x* hh VDM是VHF Data-link Message，有关于船舶的动静态和航行相关信息都在这个消息类型当中。其中，x} x} x分别表示发送这一信息需要的句子总数(1-9),本句的句子序数(1-9 )和连续信息的识别(0-9 ) ; a表示AIS信道号;I表示信息的ID码;S-S表示打包的ITU-R M.1371无线电信息;x表示填充的BIT数(0-5 ) ;hh表示校验字节。 5. 3. 3 A I S解码及显示 定义程序中的数据类型、变量及数据缓冲区:定义一个数组message来存放数据，定义一个结构体如下，来存放船舶信息: char message[10][40]; struct ship information { long mmsi; char*name; int status; float speed; float latitude; float longitude; int changed; int num; int type; } 这一部分的系统框图如图5.10所示: 在图5.10中，串口任务:主要实现原始AIS数据的提取，由ARM处理板的串口来实现，波特率为38400bit/s，用一个循环来不间断的接收周围船舶的AIS数据，数据以帧为单位。解码任务:在串口接收到一个完整的帧数据后发消息给解码任务，解码任务判断信息是静态信息还是动态信息，然后按标准解码为标准的ASCII码，再根据需要，提取出船舶的名称、位置、速度、类型等信息保存到船舶的数据结构中交由LCD显示。LCD显示任务:在此系统中对文字和图形的输出方式采用免费的图形用户接口MiniGUI，分别输出不同的字体和各种图形，在屏幕上显示出周围船舶的信息。AIS以异步方式向外发送数据，发送速率为3 8400bit1s，所以串口初始化波特率为38400bit，串口是以文本方式读取AIS输出的信息，因此，在数据处理程序中，首先必须将接收的字符转换成ASCII码，再调用校验程序，对接收到的数据进行校验，当校验正确后，才能进行编码转换，将ACII码转换为6bitASCII码，然后才能将6bit ASCII码信息转换成各种所需的格式，这部分程序由change()函数来实现。在做AIVDM解码时，需要利用报文里的校验和字段做一下判断，用以检验接收的该条消息是否正确。其方法是让“!”号后和“*”号前的所有字符依次做异或操作，将得到的数据转换成十六进制数，然后和校验字段的值做比较，如果二者相等则正确接收，不等则跳过该条信息。接收字符转换成6bit ASCII码的程序框图及ASCII码和6bit ASCII码的关系如图5.11所示： 解码过程:先将接收到的这一帧字符转换为ASCII码，再调用校验程序，检测接收的这一帧数据是否正确，如果接收的数据正确，就调用编码转换程序，将ASCII码转换成6bit的码，然后进行各项内容的解码操作。我们接收到的AIS数据信息内容是有一定格式的，即信息内容对应固定的比特位，不同的比特位代表了不同的信息，我们可以根据这种对应关系一一提取出有用的信息。在解码任务中分别定义不同的函数来完成不同信息的获取。函数定义如下:getlongitude()函数从原始数据当中获得需要的经度数据;getlatitude()函数提取出船舶的纬度信息;gettYPeO函数提取船舶静态信息中的船舶类型信息;getstatusQ函数得到船的状态 码;getspeed()函数提取船的速度信息;getmmsi()函数用于提取船舶的MMSI码:getname0函数获得船名信息等。解码的流程如图5.12所示: 如图5.12，系统初始化后，调用函数Izx (> , It}cO函数对串口的数据进行匹配检索，寻找同步字!AIVDM，从而进行接收。并把该条信息中第5个逗号以后到第6个逗号之间的数据存入已经定义好的message数组中。再调用getmessage ()函数，进行动静态信息判断，分别调用前页定义的函数，提取出船舶的相关信息。最后调用LCD显示程序，利用MiniGUI的用户接口，完成显示。
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