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　　水声信道匹配底子研究是创建在水声学、海洋物理声学以及当代信号处理惩罚技能底子上的新兴研究范畴。为满意研究必要而构建的局部海疆水声信道丈量平台（图1），可以或许实现环境信息和信道参量的体系收罗和及时转达，对信道宽容匹配方法的可行性举行查验。

　　浮标体系以它的机动、高效、自身干扰小等特点，在水声信道研究中发挥着别的装备不可更换的作用。现有的浮标体系大多采取直接序列扩频电台直接举行水面通讯，这种方式每每不利用网络协议或利用自界说的网络协议。而采取无线网桥举行水面通讯，以TCP/IP作为网络协议，将大大加强浮标体系网络化。同时由于TCP/IP协议是如今最为成熟的网络协议之一，浮标网络的稳固性、可扩展性都得以进步，乃至通过互联网直接控制浮标体系也成为大概。因此，本文基于TCP/IP网络协议计划并实现了浮标网络通讯体系。

　　1、浮标网络通讯体系计划

　　1.1基于TCP/IP网络协议的浮标通讯体系

　　水声信道匹配底子研究所利用的浮标具有水下传感器单位、信号处理惩罚单位及水面通讯单位。此中水面通讯单位负责浮标与岸基控制站、丈量船及别的浮标的信息互换，要求具备网络通讯功能。

　　TCP/IP协议栈的实现是浮标网络通讯体系的核心部分。着实现方式可以采取软件实现，但该方法一样平常要求处理惩罚速率较高的MCU，而且占用大量代码空间，同时编程必要对整个TCP/IP协议的机制和细节非常认识，开辟难度大。而硬件实现方式则把MCU从繁重的网络协议运行工作中解放出来，从而进步了体系服从。

　　数据或指令由无线网桥发送或吸取。它通过RJ45接口经变压器与10Base-T通用以太网接口控制器RTL8201相连。RTL8201通过MII标准接口与W3100A互换数据。RTL8201从W3100A处吸取以太帧，然后举行曼彻斯特编码，发送以太网帧时，先在帧前端加上帧起始标记。当*到网络中有以太网帧存在时，RTL8201吸取模块起首用锁相环电路实现与物理信号同步，然后对物理信号采样吸取并送给曼彻斯特解码功能块，末了得到W3100A能辨认的归“0”码（已把帧前导码分离），并将其通过MII接口送入网络接口层模块。发送数据时，数据由MCU数据接口写入W3100A的发送缓冲区，通过控制各个协议层的相干控制寄存器，数据在TCP层中添加上各个控制标记等，封装成为TCP段，实现面向毗连的可靠传输；TCP段接着交给IP层举行打包，IP层的一个紧张功能是实现对TCP段的分片，以到达IP数据报可以或许最大服从利用以太网帧的数据区的目标。完备的IP数据报继承传给网络接口层，LLC子层利用物理层提供的不可靠的比特链路，实现可靠的分组传输服务，MAC子层为数据分组添加目标节点的物理地点，MAC实现不可靠的分组传输。颠末网络接口层后，终极封装成帧格式，然后再颠末MII接口送入RTL8201，在RTL8201里举行曼彻斯特编码并添加前导信号等。当RTL8201*到物理链路空闲时，立即通过RJ45接口把数据帧发送到以太网上。吸取数据时则举行相反的操纵，收发器吸取以太网上的物理信号把前导码分离出来并举行曼彻斯特解码，把结果传送给网络接口层，网络接口层MAC子层查抄帧的物理目标地点是否与本身的雷同，以决定是否交给LLC子层，LLC用不对检测位判定分组是否精确。精确的分组被送入IP层，在IP层中检测错误、拆封并举行分片重组后送给TCP层，TCP层实现面向毗连的可靠传输，以是TCP层将举行严格的不对控制，再从TCP段中取出数据，然后通过数据接口传送回MCU。物理帧颠末各个协议层举行解包，终极把数据传回MCU，但在各层解包时假如IP地点或数据堕落等，数据包将被扬弃，并要求重传。假如处理惩罚的报文是ICMP、UDP或ARP等时，其大抵流程是一样的，差别报文的区别会在相应的包头指示出来，供协议辨认。

　　1.2TCP/IP协议栈W3100A简介

　　W3100A是一种TCP/IP协议栈芯片，它包罗了TCP、IPVer.4、UDP、ICMP、ARP等Internet协媾和DLC、MAC以太网协议。其功能框图如图3所示。W3100A芯片由4部分构成：微控器接口单位、网络协议引擎、双口RAM及网络物理层介质开关接口MII(MediaIndependentInterface)单位。W3100A支持全双工20Mbps的数据通讯，并可同时支持4个独立的网络毗连；提供16KB的数据缓冲双口SRAM；采取0.35μm的CMOS工艺，64引脚LQFP封装；采取3.3V电源电压，其I/O接口兼容了5V的数字逻辑电平，可非常方便地与MCU和DSP接口毗连。

　　在接口的实现中，以太网变压器是不可缺少的。在差分发送引脚(TX+/TX-)上，必要一个专用于10BASE-T操纵的脉冲变压器，将要发送的数据发送到网络上。网络传来的数据也颠末变压器，由差分吸取引脚(RX+/RX-)吸取。以太网变压器的作用重要是将外部线路与RTL8201隔开，防止干扰和烧坏元器件，实现带电的插拔功能。本计划采取了PULES的J0011型变压器，其内部布局如图5所示。该变压器集成了RJ-45讨论，在简化了连线的同时也进步了高频信号传输的可靠性。

　　3、软件计划

　　3.1MSP430总线读写

　　W3100A有专门的微控制器接口与MCU相连，其总线操纵雷同于MCU对外部存储器的读写。但MSP430微控制器没有专门的外部扩展总线接口，以是这里采取通用端口模仿外部扩展总线端口。对于W3100A的访问要依照其读写时序举行操纵，如图7、图8所示，可将读写程序作为函数在主程序中调用。

　　写总线过程与读总线雷同，差别的是将P4端口设为输出状态，并操纵写有效（/WE）。要留意的是/WE规复到高电平常的上升沿触发数据写入。

　　3.2网络传输控制

　　通过Wiznet公司为W3100A专门提供的SocketAPI函数，可使网络通讯的软件计划更加方便。起首初始化W3100A的网络设置，即在相应的寄存器中设置默认网关、子网掩码、本机物理地点和IP地点，然后创建Socket毗连以实现通讯。整个过程与WindowsSocket编程非常雷同。

　　4、测试及分析

　　功能测试的关键在于对体系的可用性及稳固性举行实行。为此，创建了一个简化通讯网络，采取PC机作为通讯网络的一个终端，浮标作为另一终端。通过测试两者间的通讯环境来实行本体系功能。

　　起首，测试网络毗连环境。作为须要的IP实行，由PC机将PING下令发送给浮标，PC机表现结果如图11所示。

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　　在局域网流畅的环境下，理论上0字节的PING哀求均匀相应时间为1ms，实行结果验证了网络毗连的正常。

　　通过大量转发数据的方法测试体系稳固性。由PC机发送数据至浮标，浮标将数据直接转发回PC机，PC机比力发出数据与吸取数据，以判定误码环境。室温条件下，通讯间隔100米，举行三组各连续10小时的收发实行，无丢包征象，误码率10-9，符合计划要求。要指出的是，由于海况及通讯间隔的差别，体系的传输误码率将有所差别，但在多数环境下该体系作为指令收发的通道是完全可靠的。

　　5、结论

　　TCP/IP协议在浮标体系中的应用极大的加强了浮标网络的稳固性及可扩展性。本计划采取MSP430微控制器及网络协议栈W3100A很好地实现了浮标体系的低功耗网络通讯体系，为水声信道匹配底子研究提供了抱负的网络通讯保障。同时本计划也可以嵌入到别的装备中，如田野丈量仪器、车载体系等，为更多的嵌入式体系提供网络化服务，具有非常广阔的应有远景。

　　原文链接：https://www.eeworld.com.cn/mcu/article_2016041825795.html