TCP/IP的浮标网络通信系统设计策略

W3100A是一种TCP/IP协议栈芯片，它包含了TCP、IP Ver.4、UDP、ICMP、ARP等Internet协议和DLC、MAC以太网协议。其功能框图如图 3所示。W3100A芯片由4部分组成：微控器接口单元、网络协议引擎、双口RAM及网络物理层介质开关接口MII(Media Independent Interface)单元。W3100A支持全双工20Mbps的数据通信，并可同时支持4个独立的网络连接；提供16KB的数据缓冲双口SRAM；采用0.35μm的CMOS工艺，64引脚LQFP封装；采用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接口连接。

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