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

1、基于tcpip的浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)水聲信道匹配基礎(chǔ)討論是建立在水聲學(xué)、海洋物理聲學(xué)以及現(xiàn)代信號處理技術(shù)基礎(chǔ)上的新興討論領(lǐng)域。為滿足討論需要而構(gòu)建的局部海疆水聲信道測量平臺（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(shí)時(shí)傳遞，對信道寬容匹配辦法的可行性舉行檢驗(yàn)。浮標(biāo)系統(tǒng)以它的靈便、高效、自身干擾小等特點(diǎn)，在水聲信道討論中發(fā)揮著其它設(shè)備不行替代的作用?，F(xiàn)有的浮標(biāo)系統(tǒng)大多采納挺直序列擴(kuò)頻電臺挺直舉行水面通訊，這種方式往往不用法網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或用法自定義的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。而采納無線網(wǎng)橋舉行水面通訊，以tcp/ip作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，將大大增加浮標(biāo)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化。同時(shí)因?yàn)閠cp/ip協(xié)議是目前最為成熟的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一，

2、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)挺直控制浮標(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(jì)并實(shí)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(jì)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)討論所用法的浮標(biāo)具有水下單元、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()組成， 2所示。無線網(wǎng)橋采納較為成熟網(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)議棧的舉行設(shè)

3、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(shí)現(xiàn)是浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)的核心部分。其實(shí)現(xiàn)方式可以采納軟件實(shí)現(xiàn)，但該辦法普通要求處理速度較高的mcu，而且占用大量代碼空間，同時(shí)編程需要對囫圇tcp/ip 協(xié)議的機(jī)制和詳情非常認(rèn)識，開發(fā)難度大。而硬件實(shí)現(xiàn)方式則把mcu從繁重的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議運(yùn)行工作中解放出來，從而提高了系統(tǒng)效率。數(shù)據(jù)或命令由無線網(wǎng)橋發(fā)送或接收。它通過rj45接口經(jīng)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，然后舉行曼徹斯特編碼，發(fā)送以太網(wǎng)幀時(shí)，先在幀前端加上幀起始標(biāo)記。當(dāng)

4、*到網(wǎng)絡(luò)中有以太網(wǎng)幀存在時(shí)，rtl8201接收模塊首先用鎖相環(huán)實(shí)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)碼分別），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(shí)，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(gè)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(gè)控制標(biāo)記等，封裝成為tcp段，實(shí)現(xiàn)面對銜接的牢靠傳輸；tcp段接著交給ip層舉行打包，ip層的一個(gè)重要功能是實(shí)現(xiàn)對tcp段的分片，以達(dá)到ip數(shù)據(jù)報(bào)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(bào)繼續(xù)傳給網(wǎng)絡(luò)接口層，llc子層用法物理層提供

5、的不行靠的比特鏈路，實(shí)現(xiàn)牢靠的分組傳輸服務(wù)，mac子層為數(shù)據(jù)分組添加目的節(jié)點(diǎn)的物理地址，mac實(shí)現(xiàn)不行靠的分組傳輸。經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)接口層后，終于封裝成幀格式，然后再經(jīng)過mii接口送入rtl8201，在rtl8201里舉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(shí)，立刻通過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(shí)則舉行相反的操作，接收以太網(wǎng)上的物理信號把前導(dǎo)碼分別出來并舉行曼徹斯特解碼，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，以打算是否交給llc子層，llc用差錯(cuò)檢測位推斷分組是否正確。正確的分組被送入ip層，在ip層中檢測錯(cuò)誤、拆

6、封并舉行分片重組后送給tcp層，tcp層實(shí)現(xiàn)面對銜接的牢靠傳輸，所以tcp層將舉行嚴(yán)格的差錯(cuò)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(gè)協(xié)議層舉行解包，終于把數(shù)據(jù)傳回mcu，但在各層解包時(shí)假如ip地址或數(shù)據(jù)出錯(cuò)等，數(shù)據(jù)包將被丟棄，并要求重傳。假如處理的報(bào)文是icmp、udp 或arp等時(shí)，其大致流程是一樣的，不同報(bào)文的區(qū)分會(huì)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 3所示

7、。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(shí)支持4個(gè)自立的網(wǎng)絡(luò)銜接；提供16kb的數(shù)據(jù)緩沖雙口sram；采納0.35m的工藝，64引腳lqfp封裝；采納3.3v電源，其i/o接口兼容了5v的數(shù)字規(guī)律電平，可十分便利地與mcu和接口銜接。2、電路設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的主要電路由微控制器f169、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的銜接可采納i2c接口模式或挺直模式

8、。采納i2c接口模式的優(yōu)點(diǎn)是電路簡潔，占用端口資源少。但i2c接口的傳輸速度會(huì)受到一定限制，所以當(dāng)要求更高傳輸速度時(shí)，可采納挺直總線接口方式， 4所示。w3100a提供mii接口與rtl8201相連，其中引腳rx_clk、rxdv、rxd0:3以及col用于數(shù)據(jù)的接收，而tx_clk、txe、txd0:3用于數(shù)據(jù)的發(fā)送。在接口的實(shí)現(xiàn)中，以太網(wǎng)變壓器是不行缺少的。在差分發(fā)送引腳(tx+/tx-)上，需要一個(gè)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，

9、防止干擾和燒壞元器件，實(shí)現(xiàn)帶電的插拔功能。本設(shè)計(jì)采納了pules的j0011型變壓器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu) 5所示。該變壓器集成了rj-45接頭，在簡化了連線的同時(shí)也提高了高頻信號傳輸?shù)睦慰啃?。同時(shí)在設(shè)計(jì)復(fù)位電路時(shí)應(yīng)注重，因?yàn)閣3100a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(jì)復(fù)位電路時(shí)要求同時(shí)產(chǎn)生高、低兩路復(fù)位信號， 6所示。3、軟件設(shè)計(jì)3.1 msp430總線讀寫w3100a有特地的微控制器接口與mcu相連，其總線操作類似于mcu對外部存儲(chǔ)器的讀寫。但msp430微控制器沒有特地的外部擴(kuò)展總線接口，所以這里采納通用端口模擬外部擴(kuò)展總線端口。對于

10、w3100a的拜訪要依照其讀寫時(shí)序舉行操作， 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）。要注重的是/we復(fù)原到高電平常的升高沿觸發(fā)數(shù)據(jù)寫入。3.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸控制通過wiznet公司為w3100a特地提供的socket api函數(shù)，可使網(wǎng)絡(luò)通訊的軟件設(shè)計(jì)越發(fā)便利。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銜接以實(shí)現(xiàn)通訊。囫圇過程與windows socket編程非常類似。建立tcp銜接的流程 9所示。首先

11、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)議挑選寄存器c0_spor為0x01；挑選tcp協(xié)議，執(zhí)行通道0指令寄存器c0_cr中的sock_init指令位， 同時(shí)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指令位，此時(shí)tcp銜接就建立起來。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0x40000x5fff的地址空間是發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，0x60000x7fff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(shí)，一定要先查詢1次發(fā)

12、送數(shù)據(jù)指針，從而計(jì)算出可以利用的發(fā)送緩沖區(qū)的大小。圖 10暗示了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)定性舉行試驗(yàn)。為此，建立了一個(gè)簡化通訊網(wǎng)絡(luò)，采納pc機(jī)作為通訊網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)終端，浮標(biāo)作為另一終端。通過測試兩者間的通訊狀況來試驗(yàn)本系統(tǒng)功能。首先，測試網(wǎng)絡(luò)銜接狀況。作為須要的ip試驗(yàn)，由pc機(jī)將ping指令發(fā)送給浮標(biāo)，pc機(jī)顯示結(jié)果 11所示。在局域網(wǎng)暢通的狀況下，理論上0字節(jié)的ping哀求平均響應(yīng)時(shí)光為1ms，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)銜接的正常。通過大量轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的辦法測試系統(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)挺直轉(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)，以推斷誤碼狀況。室溫條件下，通訊距離100米，舉行三組各持續(xù)10小時(shí)的收發(fā)試驗(yàn)，無丟包現(xiàn)象，誤碼率10-9，符合設(shè)計(jì)要求。要指出的是，因?yàn)楹r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)狀況下該系統(tǒng)作