根據TCP/IP的浮標網(wǎng)絡(luò )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(xué)、海洋物理聲學(xué)以及現代信號處理技術(shù)基礎上的新興研究領(lǐng)域。為滿(mǎn)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(shí)現環(huán)境信息和信道參量的系統采集和實(shí)時(shí)傳遞，對信道寬容匹配方法的可行性進(jìn)行檢驗。

　　浮標系統以它的靈活、高效、自身干擾小等特點(diǎn)，在水聲信道研究中發(fā)揮著(zhù)其它設備不可替代的作用?，F有的浮標系統大多采用直接序列擴頻電臺直接進(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(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋進(jìn)行水面通訊，以TCP/IP作為網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，將大大增強浮標系統網(wǎng)絡(luò )化。同時(shí)由于TCP/IP協(xié)議是目前最為成熟的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議之一，浮標網(wǎng)絡(luò )的穩定性、可擴展性都得以提高，甚至通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)直接控制浮標系統也成為可能。因此，本文基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議設計并實(shí)現了浮標網(wǎng)絡(luò )通信系統。

　　1、浮標網(wǎng)絡(luò )通訊系統設計

　　1.1 基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)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(wǎng)絡(luò )通訊功能。

　　浮標網(wǎng)絡(luò )通訊系統由無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋采用較為成熟網(wǎng)橋產(chǎn)品，如BreezeNET無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋，其功能是通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路傳輸TCP/IP數據包。MCU負責對TCP/IP協(xié)議棧的進(jìn)行設置，并寫(xiě)入待發(fā)數據及讀出接收數據。

　　TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現是浮標網(wǎng)絡(luò )通訊系統的核心部分。其實(shí)現方式可以采用軟件實(shí)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(shí)編程需要對整個(gè)TCP/IP 協(xié)議的機制和細節十分熟悉，開(kāi)發(fā)難度大。而硬件實(shí)現方式則把MCU從繁重的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議運行工作中解放出來(lái)，從而提高了系統效率。

　　數據或指令由無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋發(fā)送或接收。它通過(guò)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(guò)MII標準接口與W3100A交換數據。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(shí)，先在幀前端加上幀起始標志。當*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)電路實(shí)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(guò)MII接口送入網(wǎng)絡(luò )接口層模塊。發(fā)送數據時(shí)，數據由MCU數據接口寫(xiě)入W3100A的發(fā)送緩沖區，通過(guò)控制各個(gè)協(xié)議層的相關(guān)控制寄存器，數據在TCP層中添加上各個(gè)控制標志等，封裝成為T(mén)CP段，實(shí)現面向連接的可靠傳輸；TCP段接著(zhù)交給IP層進(jìn)行打包，IP層的一個(gè)重要功能是實(shí)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(wǎng)幀的數據區的目的。完整的IP數據報繼續傳給網(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(shí)現可靠的分組傳輸服務(wù)，MAC子層為數據分組添加目的節點(diǎn)的物理地址，MAC實(shí)現不可靠的分組傳輸。經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò )接口層后，最終封裝成幀格式，然后再經(jīng)過(guò)MII接口送入RTL8201，在RTL8201里進(jìn)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(shí)，立即通過(guò)RJ45接口把數據幀發(fā)送到以太網(wǎng)上。接收數據時(shí)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碼分離出來(lái)并進(jìn)行曼徹斯特解碼，把結果傳送給網(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(shí)現面向連接的可靠傳輸，所以TCP層將進(jìn)行嚴格的差錯控制，再從TCP段中取出數據，然后通過(guò)數據接口傳送回MCU。物理幀經(jīng)過(guò)各個(gè)協(xié)議層進(jìn)行解包，最終把數據傳回MCU，但在各層解包時(shí)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(shí)，其大致流程是一樣的，不同報文的區別會(huì )在相應的包頭指示出來(lái)，供協(xié)議識別。

　　1.2 TCP/IP協(xié)議棧W3100A簡(jiǎn)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(kāi)關(guān)接口MII(Media Independent Interface)單元。W3100A支持全雙工20Mbps的數據通信，并可同時(shí)支持4個(gè)獨立的網(wǎng)絡(luò )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。