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

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頻電臺直接進行水面通訊，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)橋進行水面通訊，以TCP/IP作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，將大大增強浮標(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負責(zé)對TCP/IP協(xié)議棧的進行設(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)議的機制和細節(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層進行打包，IP層的一個重要功能是實現(xiàn)對TCP段的分片，以達到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層將進行嚴格的差錯控制，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。