ADSP2189M在船舶自动识别系统开发中的应用

摘要：本文介绍了ADSP2189M芯片在AIS船舶自动识别系统开发中的应用。分析了ADSP2189M芯片的外部硬件连接和内部软件的设置，以及各种片上资源的应用，针对不同的通讯方式采用不同的连接模式，并实现了IDMA方式与上位机完成启动和通讯。
关键词： ADSP2189M ；AIS系统；ITU-R M.1371协议

引言
    AIS系统是海上移动VHF波段采用TDMA技术交换数据的一种避碰系统，是国际海事组织规定每条船只必须安装的设备之一，产品开发基于国际海事组织颁布的ITU-R M1371协议。在开发中采用ADSP2189M作为其数据处理平台，完成各种数据处理，转换，时隙的划分，网络登陆和维护等算法，实现其大部分的主要功能。系统的模式如图1所示。

    由电台在161.975MHz和162.025MHz的两个频点上接收GMSK信号,经GMSK调制解调芯片把模拟数据转换成数字信号,数据流通过上位机完成对正确数据的判定,并且删去数据段的起始、填充和结束位,把数据通过并行口发往DSP,DSP完成对接收到数据的处理与分析,建立整个海域的时隙表,完成TDMA的网络登陆、维护,把相关的数据再以不同格式发送到不同的串口输出,按照ITU-R M.1371协议,以ITDMA(增量时分多址)方式接入网络,以SOTDMA(自控时分多址)方式连续运行,从而达到整个网络的TDMA完整性。因此,信号处理单元在系统中处于重要的位置。

图1  DSP与外部设备接口

ADSP2189M芯片
    ADSP2189M芯片是一种定点DSP，其指令周期为13.3ns,运行速度可达75MIPS。处理器包括算术/逻辑单元(ALU)，乘法/累加器(MAC)和桶状移位器。存储器采用哈佛结构，有48K的PRAM和32K的DRAM。两个SPORT同步串口,一个定时器以及主机接口可以和主机处理器直接相连。DMA接口包括内部DMA接口(IDMA)和字节DMA接口(BDMA)。

AIS系统中2189M的硬件设计
   部分电路如图2所示。
·芯片外接33M的晶体，其内部自动倍频到66M；
·一个同步串口SPORT与外部的MCU相连，引脚要接上拉电阻；
·把SPORT1设置成第二种工作模式，并用软件把I/O口模拟UART，与MAX232芯片连接，数据送往简易显示；
·采用IDMA方式与MCU相连，16条并口线连接，启动模式设置为IDMA方式，其4个MODEA~D设置分别为1，0，1，0；
·完成IDMA引导装载的步骤如下；
 PWD、EBR、BR、ERSET四个调试引脚必须外接上拉电阻；
 最后写PM(0X0000)的值，程序开始自动执行。

图2 AIS系统的部分电路图 

图3 串口接收时序图

图4 时隙划分图

ADSP2189M接口的软件设计
Sport0的设置
采用同步串口与MCU通讯

    DM(0X3FF6)—串口控制寄存器设置如表1所示。

    表1中0~3：接收发送字长，我们定义为16位字长，设置为1111。6~7：帧同步信号电平，为0，高电平有效。8~9:帧同步信号源，为1，内部产生帧同步信号。

    10~11:成帧方式，为1，第二成帧方式。12~13:帧同步，为0，发起通讯必须要帧同步信号，以后不再考虑帧同步信号。14:SCLK的产生方式，为1，内部产生串行时钟。

    DM(0X3FF5)—串口时钟分频系数寄存器dm(sclkdiv)
    在ADSP2189芯片中，采样率与分频数之间的关系如下式F(sclk)=f(clkout)/(sclkdiv+1)/2

    其中，F(sclk)表示运行时钟，F(clkout)表示外接晶振的输出时钟，sclkdiv表示分频数，即存储器应该赋予的值。

    当控制寄存器设置好以后，串口接收时序如图3所示，接收到的数据放在接收缓存区，每接收完一组数据，写一次接收标志位，主程序定期检测标志位，当检测到标志位变化时，调用接收处理子程序。

Sport1和timer的设置
     由于DSP要输出数据到简易显示，通过UART口相连接，因此把Sport1设置为第二种工作模式(如表2所示)。

    DM(0X3FFF)—系统控制寄存器(如表3所示)。

    表3中，12：SPORT0的使能，设置为1。11：SPORT1的使能，设置为1。10：SPOER1的功能选择，设置为0。

    用I/O口模拟UART，以9600波特率采样，内部定时中断产生速率为3×9600，在一个电平跳变中产生3次采样，取中间的采样值有效。

DM(0X3FFD)—定时周期寄存器
DM(0X3FFC)—定时计数寄存器
外接33M晶体，寄存器存放的数值为：
period=frequence×2/(3×9600)-1=2314

    芯片以28800波特率产生中断，每次中断程序检测UART的标志位，当标志位有变化时，每3次中断设置一次I/O的输出，直到发送数据结束。
部分代码设置如下：
ax0 = 2314;      //定时器设置
 dm(0x3ffc) = ax0;
 dm(0x3ffd) = ax0;
 ax0 = 0;
 dm(0x3ffb) = ax0;    //控制寄存器的设置
 ax0 = b#0001100000000000;
 ax0=b#0111111000001111;
 dm(0x3ff6)=ax0;    //sport0设置
 ax0=0x001f;
 dm(0x3ff5)=ax0;    //SCLKDIV0
 mstat = 0x10;           
// 乘法器设置
 ifc=b#0000000001100001;   imask=b#0000100001;   //中断开启 
 ena timer;                
//开启定时

主体软件流程
    系统采用自主式时分复用，把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙(无论帧或时隙都是互不重叠的)，每个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户。系统根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向对方发射信号(突发信号)，在满足定时和同步的条件下，基站可以在各时隙中接收到各移动台的信号而互不干扰。

    在寄存器中划分两个信道的空间作为海域的时隙表，如图4所示。

    网络登陆采用概率持续算法(当发现一个候选时间段时，台站在0到100之间随机选取一个概率值LME.RTP1，该值与一个0到10的概率LME.RTP2比较，如果LME.RTP1小于或等于LME.RTP2，则选择这个时间段，反之，LME.RTP2加上一个概率增量与下一个候选时间段比较)。在2250个时间段上随机选择一个空闲时隙作为网络的接入点，然后以ITDMA方式接入。这种方式是一种先报告先占用的形式，在当前发射的数据中指明下一个需要发送数据的时隙号，从而达到预先通知其它台站自身所占用的时隙号，确定在60秒中需要占用的空间。在以后的连续阶段，移动台以SOTDMA方式完成网络的维护和时隙的重新划分。由于协议规定的数据格式中最大只能预知到7分钟的占用情况，所以每隔7分钟，需要在一定范围内重新选择一个新的空闲时隙发送，以次类推，一直以这种连续的状态运行下去。

    当速度发生改变的时候，系统重新以ITDMA的方式完成新的速率下的网络登陆。

结语
     本文提出的设计方案，充分利用了DSP的高性能数据处理功能和嵌入式操作系统的实时稳定的特点，采用时分复用的算法，进行一个海域内的网络划分和联接功能。这种DSP信号处理与嵌入式操作系统相结合的模式，可以广泛应用于通讯领域，具有广泛的应用前景。

参考文献
1 吴敏渊.ADSP系列数字信号处理器原理. 电子工业出版社    
2 苏涛.吴顺君.廖晓群.高性能数字信号处理器与高速实时信号处理. 西安电子科技大学出版社 
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