基于TCP/IP的浮标网络通信系统设计

2、电路设计

该系统的主要电路由微控制器MSP430F169、网络协议栈W3100A、以太网接口控制器RTL8201及网络接口构成。W3100A与 MSP430F169的连接可采用I2C接口模式或直接总线模式。采用I2C接口模式的优点是电路简洁，占用端口资源少。但I2C接口的传输速度会受到一定限制，所以当要求更高传输速度时，可采用直接总线接口方式，如图 4所示。W3100A提供MII接口与RTL8201相连，其中引脚RX_CLK、RXDV、RXD[0:3]以及COL用于数据的接收，而 TX_CLK、TXE、TXD[0:3]用于数据的发送。



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，需要一个专用于10BASE-T 操作的脉冲变压器，将要发送的数据发送到网络上。网络传来的数据也经过变压器，由差分接收引脚(RX+/RX-)接收。以太网变压器的作用主要是将外部线路与RTL8201隔开，防止干扰和烧坏元器件，实现带电的插拔功能。本设计采用了PULES的J0011型变压器，其内部结构如图 5所示。该变压器集成了RJ-45接头，在简化了连线的同时也提高了高频信号传输的可靠性。



同时在设计复位电路时应注意，由于W3100A的复位引脚为高电平有效，而MSP430F169和RTL8021的复位引脚为低电平有效，所以在设计复位电路时要求同时产生高、低两路复位信号，如图 6所示。



3、软件设计

3.1 MSP430总线读写

W3100A有专门的微控制器接口与MCU相连，其总线操作类似于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，所以这里采用通用端口模拟外部扩展总线端口。对于W3100A的访问要依照其读写时序进行操作，如图 7、图 8所示，可将读写程序作为函数在主程序中调用。



下面列举了部分读总线程序：



写总线过程与读总线类似，不同的是将P4端口设为输出状态，并操作写有效（/WE）。要注意的是/WE恢复到高电平时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Socket API函数，可使网络通讯的软件设计更加方便。首先初始化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、本机物理地址和IP地址，然后建立Socket连接以实现通讯。整个过程与Windows Socket编程十分类似。

建立TCP连接的流程如图 9所示。首先完成芯片的TCP/IP初始化，设置相应通道如0通道的协议选择寄存器C0_SPOR为0X01；选择TCP协议，执行通道0命令寄存器 C0_CR中的sock_init命令位， 同时将C0_TW_PR、C0_TR_PR及C0_TA_PR置成同一值；然后执行C0_CR的connect和listen命令位，此时TCP连接就建立起来。



W3100A内部的16KB的双口RAM作为数据发送和接收缓冲。其中0x4000～0x5FFF的地址空间是发送数据缓冲区，0x6000～0x7FFF的地址空间是接收数据缓冲区。MCU程序将要发送的数据写入发送缓冲区，并从接收缓冲区读出收到的数据。当成批的数据发送时，一定要先查询1次发送数据指针，从而计算出可以利用的发送缓冲区的大小。图 10示意了TCP数据发送的程序流程。数据接收的过程与发送过程类似，在此不再赘述。



4、测试及分析

功能测试的关键在于对系统的可用性及稳定性进行实验。为此，建立了一个简化通讯网络，采用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情况来实验本系统功能。

首先，测试网络连接情况。作为必要的IP实验，由PC机将PING命令发送给浮标，PC机显示结果如图 11所示。



在局域网畅通的情况下，理论上0字节的PING请求平均响应时间为1ms，实验结果验证了网络连接的正常。

通过大量转发数据的方法测试系统稳定性。由PC机发送数据至浮标，浮标将数据直接转发回PC机，PC机比较发出数据与接收数据，以判断误码情况。室温条件下，通讯距离100米，进行三组各持续10小时的收发实验，无丢包现象，误码率<10-9，符合设计要求。要指出的是，由于海况及通讯距离的不同，系统的传输误码率将有所不同，但在多数情况下该系统作为指令收发的通道是完全可靠的。

5、结论

TCP/IP协议在浮标系统中的应用极大的增强了浮标网络的稳定性及可扩展性。本设计采用MSP430微控制器及网络协议栈W3100A很好地实现了浮标系统的低功耗网络通讯系统，为水声信道匹配基础研究提供了理想的网络通讯保障。同时本设计也可以嵌入到其它设备中，如野外测量仪器、车载系统等，为更多的嵌入式系统提供网络化服务，具有非常广阔的应有前景。

参考文献

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   8. WIZnet Technical Datasheet of W3100A v1.34 2005

作者：张志博、孙长瑜 中国科学院声学研究所
来源：电子测量技术 2008 31(2)