根據TCP/IP的浮標網絡通信系統設計策略

　　水聲信道匹配基礎研究是建立在水聲學、海洋物理聲學以及現代信號處理技術基礎上的新興研究領域。為滿足研究需要而構建的局部海域水聲信道測量平臺（圖 1），能夠實現環境信息和信道參量的系統采集和實時傳遞，對信道寬容匹配方法的可行性進行檢驗。

　　浮標系統以它的靈活、高效、自身干擾小等特點，在水聲信道研究中發揮著其它設備不可替代的作用。現有的浮標系統大多采用直接序列擴頻電臺直接進行水面通訊，這種方式往往不使用網絡協議或使用自定義的網絡協議。而采用無線網橋進行水面通訊，以TCP/IP作為網絡協議，將大大增強浮標系統網絡化。同時由于TCP/IP協議是目前最為成熟的網絡協議之一，浮標網絡的穩定性、可擴展性都得以提高，甚至通過互聯網直接控制浮標系統也成為可能。因此，本文基于TCP/IP網絡協議設計并實現了浮標網絡通信系統。

　　1、浮標網絡通訊系統設計

　　1.1 基于TCP/IP網絡協議的浮標通訊系統

　　水聲信道匹配基礎研究所使用的浮標具有水下傳感器單元、信號處理單元及水面通訊單元。其中水面通訊單元負責浮標與岸基控制站、測量船及其它浮標的信息交換，要求具備網絡通訊功能。

　　浮標網絡通訊系統由無線網橋、TCP/IP協議控制單元及微控制器(MCU)組成，如圖 2所示。無線網橋采用較為成熟網橋產品，如BreezeNET無線網橋，其功能是通過無線網路傳輸TCP/IP數據包。MCU負責對TCP/IP協議棧的進行設置，并寫入待發數據及讀出接收數據。

　　TCP/IP協議棧的實現是浮標網絡通訊系統的核心部分。其實現方式可以采用軟件實現，但該方法一般要求處理速度較高的MCU，而且占用大量代碼空間，同時編程需要對整個TCP/IP 協議的機制和細節十分熟悉，開發難度大。而硬件實現方式則把MCU從繁重的網絡協議運行工作中解放出來，從而提高了系統效率。

　　數據或指令由無線網橋發送或接收。它通過RJ45接口經變壓器與10Base-T通用以太網接口控制器RTL8201相連。RTL8201通過MII標準接口與W3100A交換數據。RTL8201從W3100A處接收以太幀，然后進行曼徹斯特編碼，發送以太網幀時，先在幀前端加上幀起始標志。當*到網絡中有以太網幀存在時，RTL8201接收模塊首先用鎖相環電路實現與物理信號同步，然后對物理信號采樣接收并送給曼徹斯特解碼功能塊，最后得到W3100A能識別的歸“0”碼（已把幀前導碼分離），并將其通過MII接口送入網絡接口層模塊。發送數據時，數據由MCU數據接口寫入W3100A的發送緩沖區，通過控制各個協議層的相關控制寄存器，數據在TCP層中添加上各個控制標志等，封裝成為TCP段，實現面向連接的可靠傳輸；TCP段接著交給IP層進行打包，IP層的一個重要功能是實現對TCP段的分片，以達到IP數據報能夠最大效率利用以太網幀的數據區的目的。完整的IP數據報繼續傳給網絡接口層，LLC子層使用物理層提供的不可靠的比特鏈路，實現可靠的分組傳輸服務，MAC子層為數據分組添加目的節點的物理地址，MAC實現不可靠的分組傳輸。經過網絡接口層后，最終封裝成幀格式，然后再經過MII接口送入RTL8201，在RTL8201里進行曼徹斯特編碼并添加前導信號等。當RTL8201*到物理鏈路空閑時，立即通過RJ45接口把數據幀發送到以太網上。接收數據時則進行相反的操作，收發器接收以太網上的物理信號把前導碼分離出來并進行曼徹斯特解碼，把結果傳送給網絡接口層，網絡接口層MAC子層檢查幀的物理目的地址是否與自己的相同，以決定是否交給LLC子層，LLC用差錯檢測位判斷分組是否正確。正確的分組被送入IP層，在IP層中檢測錯誤、拆封并進行分片重組后送給TCP層，TCP層實現面向連接的可靠傳輸，所以TCP層將進行嚴格的差錯控制，再從TCP段中取出數據，然后通過數據接口傳送回MCU。物理幀經過各個協議層進行解包，最終把數據傳回MCU，但在各層解包時如果IP地址或數據出錯等，數據包將被丟棄，并要求重傳。如果處理的報文是ICMP、UDP 或ARP等時，其大致流程是一樣的，不同報文的區別會在相應的包頭指示出來，供協議識別。

　　1.2 TCP/IP協議棧W3100A簡介

　　W3100A是一種TCP/IP協議棧芯片，它包含了TCP、IP Ver.4、UDP、ICMP、ARP等Internet協議和DLC、MAC以太網協議。其功能框圖如圖 3所示。W3100A芯片由4部分組成：微控器接口單元、網絡協議引擎、雙口RAM及網絡物理層介質開關接口MII(Media Independent Interface)單元。W3100A支持全雙工20Mbps的數據通信，并可同時支持4個獨立的網絡連接；提供16KB的數據緩沖雙口SRAM；采用0.35μm的CMOS工藝，64引腳LQFP封裝；采用3.3V電源電壓，其I/O接口兼容了5V的數字邏輯電平，可非常方便地與MCU和DSP接口連接。

　　2、電路設計

　　該系統的主要電路由微控制器MSP430F169、網絡協議棧W3100A、以太網接口控制器RTL8201及網絡接口構成。W3100A與MSP430F169的連接可采用I2C接口模式或直接總線模式。采用I2C接口模式的優點是電路簡潔，占用端口資源少。但I2C接口的傳輸速度會受到一定限制，所以當要求更高傳輸速度時，可采用直接總線接口方式，如圖 4所示。W3100A提供MII接口與RTL8201相連，其中引腳RX_CLK、RXDV、RXD[0:3]以及COL用于數據的接收，而TX_CLK、TXE、TXD[0:3]用于數據的發送。

　　在接口的實現中，以太網變壓器是不可缺少的。在差分發送引腳(TX+/TX-)上，需要一個專用于10BASE-T 操作的脈沖變壓器，將要發送的數據發送到網絡上。網絡傳來的數據也經過變壓器，由差分接收引腳(RX+/RX-)接收。以太網變壓器的作用主要是將外部線路與RTL8201隔開，防止干擾和燒壞元器件，實現帶電的插拔功能。本設計采用了PULES的J0011型變壓器，其內部結構如圖 5所示。該變壓器集成了RJ-45接頭，在簡化了連線的同時也提高了高頻信號傳輸的可靠性。

　　同時在設計復位電路時應注意，由于W3100A的復位引腳為高電平有效，而MSP430F169和RTL8021的復位引腳為低電平有效，所以在設計復位電路時要求同時產生高、低兩路復位信號，如圖 6所示。

　　3、軟件設計

　　3.1 MSP430總線讀寫

　　W3100A有專門的微控制器接口與MCU相連，其總線操作類似于MCU對外部存儲器的讀寫。但MSP430微控制器沒有專門的外部擴展總線接口，所以這里采用通用端口模擬外部擴展總線端口。對于W3100A的訪問要依照其讀寫時序進行操作，如圖 7、圖 8所示，可將讀寫程序作為函數在主程序中調用。

　　下面列舉了部分讀總線程序：

　　寫總線過程與讀總線類似，不同的是將P4端口設為輸出狀態，并操作寫有效（/WE）。要注意的是/WE恢復到高電平時的上升沿觸發數據寫入。

　　3.2 網絡傳輸控制

　　通過Wiznet公司為W3100A專門提供的Socket API函數，可使網絡通訊的軟件設計更加方便。首先初始化W3100A的網絡設置，即在相應的寄存器中設置默認網關、子網掩碼、本機物理地址和IP地址，然后建立Socket連接以實現通訊。整個過程與Windows Socket編程十分類似。

　　建立TCP連接的流程如圖 9所示。首先完成芯片的TCP/IP初始化，設置相應通道如0通道的協議選擇寄存器C0_SPOR為0X01；選擇TCP協議，執行通道0命令寄存器C0_CR中的sock_init命令位， 同時將C0_TW_PR、C0_TR_PR及C0_TA_PR置成同一值；然后執行C0_CR的connect和listen命令位，此時TCP連接就建立起來。

　　W3100A內部的16KB的雙口RAM作為數據發送和接收緩沖。其中0x4000～0x5FFF的地址空間是發送數據緩沖區，0x6000～0x7FFF的地址空間是接收數據緩沖區。MCU程序將要發送的數據寫入發送緩沖區，并從接收緩沖區讀出收到的數據。當成批的數據發送時，一定要先查詢1次發送數據指針，從而計算出可以利用的發送緩沖區的大小。圖 10示意了TCP數據發送的程序流程。數據接收的過程與發送過程類似，在此不再贅述。

　　4、測試及分析

　　功能測試的關鍵在于對系統的可用性及穩定性進行實驗。為此，建立了一個簡化通訊網絡，采用PC機作為通訊網絡的一個終端，浮標作為另一終端。通過測試兩者間的通訊情況來實驗本系統功能。

　　首先，測試網絡連接情況。作為必要的IP實驗，由PC機將PING命令發送給浮標，PC機顯示結果如圖 11所示。

　　在局域網暢通的情況下，理論上0字節的PING請求平均響應時間為1ms，實驗結果驗證了網絡連接的正常。

　　通過大量轉發數據的方法測試系統穩定性。由PC機發送數據至浮標，浮標將數據直接轉發回PC機，PC機比較發出數據與接收數據，以判斷誤碼情況。室溫條件下，通訊距離100米，進行三組各持續10小時的收發實驗，無丟包現象，誤碼率<10-9，符合設計要求。要指出的是，由于海況及通訊距離的不同，系統的傳輸誤碼率將有所不同，但在多數情況下該系統作為指令收發的通道是完全可靠的。

　　5、結論

　　TCP/IP協議在浮標系統中的應用極大的增強了浮標網絡的穩定性及可擴展性。本設計采用MSP430微控制器及網絡協議棧W3100A很好地實現了浮標系統的低功耗網絡通訊系統，為水聲信道匹配基礎研究提供了理想的網絡通訊保障。同時本設計也可以嵌入到其它設備中，如野外測量儀器、車載系統等，為更多的嵌入式系統提供網絡化服務，具有非常廣闊的應有前景。