基于AIS系統(tǒng)中2189M的硬件設(shè)計(jì)

AIS系統(tǒng)是海上移動(dòng)VHF波段采用TDMA技術(shù)交換數(shù)據(jù)的一種避碰系統(tǒng)，是國(guó)際海事組織規(guī)定每條船只必須安裝的設(shè)備之一，產(chǎn)品開發(fā)基于國(guó)際海事組織頒布的ITU-R M1371協(xié)議。在開發(fā)中采用ADSP2189M作為其數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，完成各種數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)換，時(shí)隙的劃分，網(wǎng)絡(luò)登陸和維護(hù)等算法，實(shí)現(xiàn)其大部分的主要功能。系統(tǒng)的模式如圖1所示。

由電臺(tái)在161.975MHz和162.025MHz的兩個(gè)頻點(diǎn)上接收GMSK信號(hào)，經(jīng)GMSK調(diào)制解調(diào)芯片把模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)流通過上位機(jī)完成對(duì)正確數(shù)據(jù)的判定，并且刪去數(shù)據(jù)段的起始、填充和結(jié)束位，把數(shù)據(jù)通過并行口發(fā)往DSP，DSP完成對(duì)接收到數(shù)據(jù)的處理與分析，建立整個(gè)海域的時(shí)隙表，完成TDMA的網(wǎng)絡(luò)登陸、維護(hù)，把相關(guān)的數(shù)據(jù)再以不同格式發(fā)送到不同的串口輸出，按照ITU-R M.1371協(xié)議，以ITDMA（增量時(shí)分多址）方式接入網(wǎng)絡(luò)，以SOTDMA（自控時(shí)分多址）方式連續(xù)運(yùn)行，從而達(dá)到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的TDMA完整性。因此，信號(hào)處理單元在系統(tǒng)中處于重要的位置。

圖1 DSP與外部設(shè)備接口

ADSP2189M芯片

ADSP2189M芯片是一種定點(diǎn)DSP，其指令周期為13.3ns，運(yùn)行速度可達(dá)75MIPS。處理器包括算術(shù)/邏輯單元（ALU），乘法/累加器（MAC）和桶狀移位器。存儲(chǔ)器采用哈佛結(jié)構(gòu)，有48K的PRAM和32K的DRAM。兩個(gè)SPORT同步串口，一個(gè)定時(shí)器以及主機(jī)接口可以和主機(jī)處理器直接相連。DMA接口包括內(nèi)部DMA接口（IDMA）和字節(jié)DMA接口（BDMA）。

AIS系統(tǒng)中2189M的硬件設(shè)計(jì)

部分電路如圖2所示。

·芯片外接33M的晶體，其內(nèi)部自動(dòng)倍頻到66M；

·一個(gè)同步串口SPORT與外部的MCU相連，引腳要接上拉電阻；

·把SPORT1設(shè)置成第二種工作模式，并用軟件把I/O口模擬UART，與MAX232芯片連接，數(shù)據(jù)送往簡(jiǎn)易顯示；

·采用IDMA方式與MCU相連，16條并口線連接，啟動(dòng)模式設(shè)置為IDMA方式，其4個(gè)MODEA~D設(shè)置分別為1，0，1，0；

·完成IDMA引導(dǎo)裝載的步驟如下；

PWD、EBR、BR、ERSET四個(gè)調(diào)試引腳必須外接上拉電阻；

最后寫PM（0X0000）的值，程序開始自動(dòng)執(zhí)行。

圖2 AIS系統(tǒng)的部分電路圖

圖3 串口接收時(shí)序圖

圖4 時(shí)隙劃分圖

ADSP2189M接口的軟件設(shè)計(jì)

Sport0的設(shè)置

采用同步串口與MCU通訊

DM（0X3FF6）—串口控制寄存器設(shè)置如表1所示。

表1中0~3：接收發(fā)送字長(zhǎng)，我們定義為16位字長(zhǎng)，設(shè)置為1111。6~7：幀同步信號(hào)電平，為0，高電平有效。8~9：幀同步信號(hào)源，為1，內(nèi)部產(chǎn)生幀同步信號(hào)。

10~11：成幀方式，為1，第二成幀方式。12~13：幀同步，為0，發(fā)起通訊必須要幀同步信號(hào)，以后不再考慮幀同步信號(hào)。14:SCLK的產(chǎn)生方式，為1，內(nèi)部產(chǎn)生串行時(shí)鐘。

DM（0X3FF5）—串口時(shí)鐘分頻系數(shù)寄存器dm（sclkdiv）

在ADSP2189芯片中，采樣率與分頻數(shù)之間的關(guān)系如下式F（sclk）=f（clkout）/（sclkdiv+1）/2

其中，F(xiàn)（sclk）表示運(yùn)行時(shí)鐘，F(xiàn)（clkout）表示外接晶振的輸出時(shí)鐘，sclkdiv表示分頻數(shù)，即存儲(chǔ)器應(yīng)該賦予的值。

當(dāng)控制寄存器設(shè)置好以后，串口接收時(shí)序如圖3所示，接收到的數(shù)據(jù)放在接收緩存區(qū)，每接收完一組數(shù)據(jù)，寫一次接收標(biāo)志位，主程序定期檢測(cè)標(biāo)志位，當(dāng)檢測(cè)到標(biāo)志位變化時(shí)，調(diào)用接收處理子程序。

Sport1和timer的設(shè)置

由于DSP要輸出數(shù)據(jù)到簡(jiǎn)易顯示，通過UART口相連接，因此把Sport1設(shè)置為第二種工作模式（如表2所示）。

DM（0X3FFF）—系統(tǒng)控制寄存器（如表3所示）。

表3中，12：SPORT0的使能，設(shè)置為1。11：SPORT1的使能，設(shè)置為1。10：SPOER1的功能選擇，設(shè)置為0。

用I/O口模擬UART，以9600波特率采樣，內(nèi)部定時(shí)中斷產(chǎn)生速率為3×9600，在一個(gè)電平跳變中產(chǎn)生3次采樣，取中間的采樣值有效。

DM（0X3FFD）—定時(shí)周期寄存器

DM（0X3FFC）—定時(shí)計(jì)數(shù)寄存器

外接33M晶體，寄存器存放的數(shù)值為：

period=frequence×2/（3×9600）-1=2314

芯片以28800波特率產(chǎn)生中斷，每次中斷程序檢測(cè)UART的標(biāo)志位，當(dāng)標(biāo)志位有變化時(shí)，每3次中斷設(shè)置一次I/O的輸出，直到發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束。

部分代碼設(shè)置如下：

ax0 = 2314; 　　　//定時(shí)器設(shè)置

dm（0x3ffc） = ax0;

dm（0x3ffd） = ax0;

ax0 = 0;

dm（0x3ffb） = ax0;　　//控制寄存器的設(shè)置

ax0 = b#0001100000000000;

ax0=b#0111111000001111;

dm（0x3ff6）=ax0;　　//sport0設(shè)置

ax0=0x001f;

dm（0x3ff5）=ax0;　　//SCLKDIV0

mstat = 0x10;　　// 乘法器設(shè)置

ifc=b#0000000001100001;　　imask=b#0000100001;　　//中斷開啟

ena timer;

//開啟定時(shí)

主體軟件流程

系統(tǒng)采用自主式時(shí)分復(fù)用，把時(shí)間分成周期性的幀，每一幀再分割成若干時(shí)隙（無論幀或時(shí)隙都是互不重疊的），每個(gè)時(shí)隙就是一個(gè)通信信道，分配給一個(gè)用戶。系統(tǒng)根據(jù)一定的時(shí)隙分配原則，使各個(gè)移動(dòng)臺(tái)在每幀內(nèi)只能按指定的時(shí)隙向?qū)Ψ桨l(fā)射信號(hào)（突發(fā)信號(hào)），在滿足定時(shí)和同步的條件下，基站可以在各時(shí)隙中接收到各移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)而互不干擾。

在寄存器中劃分兩個(gè)信道的空間作為海域的時(shí)隙表，如圖4所示。

網(wǎng)絡(luò)登陸采用概率持續(xù)算法（當(dāng)發(fā)現(xiàn)一個(gè)候選時(shí)間段時(shí)，臺(tái)站在0到100之間隨機(jī)選取一個(gè)概率值LME.RTP1，該值與一個(gè)0到10的概率LME.RTP2比較，如果LME.RTP1小于或等于LME.RTP2，則選擇這個(gè)時(shí)間段，反之，LME.RTP2加上一個(gè)概率增量與下一個(gè)候選時(shí)間段比較）。在2250個(gè)時(shí)間段上隨機(jī)選擇一個(gè)空閑時(shí)隙作為網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)，然后以ITDMA方式接入。這種方式是一種先報(bào)告先占用的形式，在當(dāng)前發(fā)射的數(shù)據(jù)中指明下一個(gè)需要發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)隙號(hào)，從而達(dá)到預(yù)先通知其它臺(tái)站自身所占用的時(shí)隙號(hào)，確定在60秒中需要占用的空間。在以后的連續(xù)階段，移動(dòng)臺(tái)以SOTDMA方式完成網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和時(shí)隙的重新劃分。由于協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)格式中最大只能預(yù)知到7分鐘的占用情況，所以每隔7分鐘，需要在一定范圍內(nèi)重新選擇一個(gè)新的空閑時(shí)隙發(fā)送，以次類推，一直以這種連續(xù)的狀態(tài)運(yùn)行下去。

當(dāng)速度發(fā)生改變的時(shí)候，系統(tǒng)重新以ITDMA的方式完成新的速率下的網(wǎng)絡(luò)登陸。

結(jié)語

本文提出的設(shè)計(jì)方案，充分利用了DSP的高性能數(shù)據(jù)處理功能和嵌入式操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)穩(wěn)定的特點(diǎn)，采用時(shí)分復(fù)用的算法，進(jìn)行一個(gè)海域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)劃分和聯(lián)接功能。這種DSP信號(hào)處理與嵌入式操作系統(tǒng)相結(jié)合的模式，可以廣泛應(yīng)用于通訊領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。