基于TCP／IP的浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計

引言

水聲信道匹配基礎(chǔ)研究是建立在水聲學(xué)、海洋物理聲學(xué)以及現(xiàn)代信號處理技術(shù)基礎(chǔ)上的新興研究領(lǐng)域。為滿足研究需要而構(gòu)建的局部海域水聲信道測量平臺（圖 1），能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境信息和信道參量的系統(tǒng)采集和實時傳遞，對信道寬容匹配方法的可行性進(jìn)行檢驗。

浮標(biāo)系統(tǒng)以它的靈活、高效、自身干擾小等特點，在水聲信道研究中發(fā)揮著其它設(shè)備不可替代的作用?，F(xiàn)有的浮標(biāo)系統(tǒng)大多采用直接序列擴(kuò)頻電臺直接進(jìn)行水面通訊，這種方式往往不使用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或使用自定義的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。而采用無線網(wǎng)橋進(jìn)行水面通訊，以TCP/IP作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，將大大增強(qiáng)浮標(biāo)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化。同時由于TCP/IP協(xié)議是目前最為成熟的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一，浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性都得以提高，甚至通過互聯(lián)網(wǎng)直接控制浮標(biāo)系統(tǒng)也成為可能。因此，本文基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計并實現(xiàn)了浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。

1、浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)設(shè)計

1.1 基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的浮標(biāo)通訊系統(tǒng)

水聲信道匹配基礎(chǔ)研究所使用的浮標(biāo)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(fù)責(zé)浮標(biāo)與岸基控制站、測量船及其它浮標(biāo)的信息交換，要求具備網(wǎng)絡(luò)通訊功能。

浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)由無線網(wǎng)橋、TCP/IP協(xié)議控制單元及微控制器(MCU)組成，如圖 2所示。無線網(wǎng)橋采用較為成熟網(wǎng)橋產(chǎn)品，如BreezeNET無線網(wǎng)橋，其功能是通過無線網(wǎng)路傳輸TCP/IP數(shù)據(jù)包。MCU負(fù)責(zé)對TCP/IP協(xié)議棧的進(jìn)行設(shè)置，并寫入待發(fā)數(shù)據(jù)及讀出接收數(shù)據(jù)。

TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)是浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)的核心部分。其實現(xiàn)方式可以采用軟件實現(xiàn)，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(xié)議的機(jī)制和細(xì)節(jié)十分熟悉，開發(fā)難度大。而硬件實現(xiàn)方式則把MCU從繁重的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議運行工作中解放出來，從而提高了系統(tǒng)效率。

數(shù)據(jù)或指令由無線網(wǎng)橋發(fā)送或接收。它通過RJ45接口經(jīng)變壓器與10Base-T通用以太網(wǎng)接口控制器RTL8201相連。RTL8201通過MII標(biāo)準(zhǔn)接口與W3100A交換數(shù)據(jù)。RTL8201從W3100A處接收以太幀，然后進(jìn)行曼徹斯特編碼，發(fā)送以太網(wǎng)幀時，先在幀前端加上幀起始標(biāo)志。當(dāng)*到網(wǎng)絡(luò)中有以太網(wǎng)幀存在時，RTL8201接收模塊首先用鎖相環(huán)電路實現(xiàn)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(dǎo)碼分離），并將其通過MII接口送入網(wǎng)絡(luò)接口層模塊。發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)由MCU數(shù)據(jù)接口寫入W3100A的發(fā)送緩沖區(qū)，通過控制各個協(xié)議層的相關(guān)控制寄存器，數(shù)據(jù)在TCP層中添加上各個控制標(biāo)志等，封裝成為TCP段，實現(xiàn)面向連接的可靠傳輸；TCP段接著交給IP層進(jìn)行打包，IP層的一個重要功能是實現(xiàn)對TCP段的分片，以達(dá)到IP數(shù)據(jù)報能夠最大效率利用以太網(wǎng)幀的數(shù)據(jù)區(qū)的目的。完整的IP數(shù)據(jù)報繼續(xù)傳給網(wǎng)絡(luò)接口層，LLC子層使用物理層提供的不可靠的比特鏈路，實現(xiàn)可靠的分組傳輸服務(wù)，MAC子層為數(shù)據(jù)分組添加目的節(jié)點的物理地址，MAC實現(xiàn)不可靠的分組傳輸。經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)接口層后，最終封裝成幀格式，然后再經(jīng)過MII接口送入RTL8201，在RTL8201里進(jìn)行曼徹斯特編碼并添加前導(dǎo)信號等。當(dāng)RTL8201*到物理鏈路空閑時，立即通過RJ45接口把數(shù)據(jù)幀發(fā)送到以太網(wǎng)上。接收數(shù)據(jù)時則進(jìn)行相反的操作，收發(fā)器接收以太網(wǎng)上的物理信號把前導(dǎo)碼分離出來并進(jìn)行曼徹斯特解碼，把結(jié)果傳送給網(wǎng)絡(luò)接口層，網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行分片重組后送給TCP層，TCP層實現(xiàn)面向連接的可靠傳輸，所以TCP層將進(jìn)行嚴(yán)格的差錯控制，再從TCP段中取出數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)據(jù)接口傳送回MCU。物理幀經(jīng)過各個協(xié)議層進(jìn)行解包，最終把數(shù)據(jù)傳回MCU，但在各層解包時如果IP地址或數(shù)據(jù)出錯等，數(shù)據(jù)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(qū)別會在相應(yīng)的包頭指示出來，供協(xié)議識別。

1.2 TCP/IP協(xié)議棧W3100A簡介

W3100A是一種TCP/IP協(xié)議棧芯片，它包含了TCP、IP Ver.4、UDP、ICMP、ARP等Internet協(xié)議和DLC、MAC以太網(wǎng)協(xié)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(wǎng)絡(luò)協(xié)議引擎、雙口RAM及網(wǎng)絡(luò)物理層介質(zhì)開關(guān)接口MII(Media Independent Interface)單元。W3100A支持全雙工20Mbps的數(shù)據(jù)通信，并可同時支持4個獨立的網(wǎng)絡(luò)連接；提供16KB的數(shù)據(jù)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(shù)字邏輯電平，可非常方便地與MCU和DSP接口連接。

2、電路設(shè)計

該系統(tǒng)的主要電路由微控制器MSP430F169、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧W3100A、以太網(wǎng)接口控制器RTL8201及網(wǎng)絡(luò)接口構(gòu)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(yōu)點是電路簡潔，占用端口資源少。但I(xiàn)2C接口的傳輸速度會受到一定限制，所以當(dāng)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(shù)據(jù)的接收，而TX_CLK、TXE、TXD[0:3]用于數(shù)據(jù)的發(fā)送。

在接口的實現(xiàn)中，以太網(wǎng)變壓器是不可缺少的。在差分發(fā)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(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。網(wǎng)絡(luò)傳來的數(shù)據(jù)也經(jīng)過變壓器，由差分接收引腳(RX+/RX-)接收。以太網(wǎng)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(xiàn)帶電的插拔功能。本設(shè)計采用了PULES的J0011型變壓器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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?shù)目煽啃浴?/P>

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

3、軟件設(shè)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(kuò)展總線接口，所以這里采用通用端口模擬外部擴(kuò)展總線端口。對于W3100A的訪問要依照其讀寫時序進(jìn)行操作，如圖 7、圖 8所示，可將讀寫程序作為函數(shù)在主程序中調(diào)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(shè)為輸出狀態(tài)，并操作寫有效（/WE）。要注意的是/WE恢復(fù)到高電平時的上升沿觸發(fā)數(shù)據(jù)寫入。

3.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸控制

通過Wiznet公司為W3100A專門提供的Socket API函數(shù)，可使網(wǎng)絡(luò)通訊的軟件設(shè)計更加方便。首先初始化W3100A的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，即在相應(yīng)的寄存器中設(shè)置默認(rèn)網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼、本機(jī)物理地址和IP地址，然后建立Socket連接以實現(xiàn)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(shè)置相應(yīng)通道如0通道的協(xié)議選擇寄存器C0_SPOR為0X01；選擇TCP協(xié)議，執(zhí)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(zhí)行C0_CR的connect和listen命令位，此時TCP連接就建立起來。

W3100A內(nèi)部的16KB的雙口RAM作為數(shù)據(jù)發(fā)送和接收緩沖。其中0x4000～0x5FFF的地址空間是發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，0x6000～0x7FFF的地址空間是接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。MCU程序?qū)⒁l(fā)送的數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖區(qū)，并從接收緩沖區(qū)讀出收到的數(shù)據(jù)。當(dāng)成批的數(shù)據(jù)發(fā)送時，一定要先查詢1次發(fā)送數(shù)據(jù)指針，從而計算出可以利用的發(fā)送緩沖區(qū)的大小。圖 10示意了TCP數(shù)據(jù)發(fā)送的程序流程。數(shù)據(jù)接收的過程與發(fā)送過程類似，在此不再贅述。

4、測試及分析

功能測試的關(guān)鍵在于對系統(tǒng)的可用性及穩(wěn)定性進(jìn)行實驗。為此，建立了一個簡化通訊網(wǎng)絡(luò)，采用PC機(jī)作為通訊網(wǎng)絡(luò)的一個終端，浮標(biāo)作為另一終端。通過測試兩者間的通訊情況來實驗本系統(tǒng)功能。

首先，測試網(wǎng)絡(luò)連接情況。作為必要的IP實驗，由PC機(jī)將PING命令發(fā)送給浮標(biāo)，PC機(jī)顯示結(jié)果如圖 11所示。

在局域網(wǎng)暢通的情況下，理論上0字節(jié)的PING請求平均響應(yīng)時間為1ms，實驗結(jié)果驗證了網(wǎng)絡(luò)連接的正常。

通過大量轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的方法測試系統(tǒng)穩(wěn)定性。由PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)至浮標(biāo)，浮標(biāo)將數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)發(fā)回PC機(jī)，PC機(jī)比較發(fā)出數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)，以判斷誤碼情況。室溫條件下，通訊距離100米，進(jìn)行三組各持續(xù)10小時的收發(fā)實驗，無丟包現(xiàn)象，誤碼率10-9，符合設(shè)計要求。要指出的是，由于海況及通訊距離的不同，系統(tǒng)的傳輸誤碼率將有所不同，但在多數(shù)情況下該系統(tǒng)作為指令收發(fā)的通道是完全可靠的。

5、結(jié)論

TCP/IP協(xié)議在浮標(biāo)系統(tǒng)中的應(yīng)用極大的增強(qiáng)了浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性及可擴(kuò)展性。本設(shè)計采用MSP430微控制器及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧W3100A很好地實現(xiàn)了浮標(biāo)系統(tǒng)的低功耗網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，為水聲信道匹配基礎(chǔ)研究提供了理想的網(wǎng)絡(luò)通訊保障。同時本設(shè)計也可以嵌入到其它設(shè)備中，如野外測量儀器、車載系統(tǒng)等，為更多的嵌入式系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)，具有非常廣闊的應(yīng)有前景。