基于嵌入式系统的网络环境模拟器的设计

　　引言

传统的移动通信系统是集中式控制的，网络的运行要基于预先架设好的网络设备，但是在不能采用有中心的控制方式时并不适用。这时需要能实现临时快速自动组网、节点能够移动的网络。

移动Ad hoc网络是一种有特殊用途的对等式网络，使用无线通信技术、网络中的节点互相作为其邻居的路由器，通过节点转发实现节点间的通信，节点可以移动。与传统的移动通信系统相比，它无需固定网络作为支撑，具有组网快速灵活、支持高移动性、抗毁性强、成本低廉等优点，特别适用于军事、抢险救灾、电子教室等领域。这种网络已经成为无线通信领域中一种有效的通信网络形式,而且已经取得了广泛的应用，如802.11系统、美国海陆空一体化数字通信系统。

在移动Ad hoc网络中，由于通信节点是可移动的，因此网络的拓扑结构也随之动态变化，在Ad hoc网络的研制阶段，要验证网络通信协议的正确性，必须依托于实际的物理信道，做大量的野外试验，给网络通信实验带来很大的困难。网络环境模拟器就是在这种背景下提出的，利用网络环境模拟器，可以不依赖实际的物理信道，而且可以不用考虑物理层的传输协议，而只考虑MAC层和网络层的协议开发，可以加快系统研发进程，便于系统调试和维护，是应用于通信网络模拟试验中的一种简便而有效的设备。

　　网络环境模拟器的功能要求

基于网络环境模拟器的Ad Hoc网络实验系统由一个网络环境模拟器和16个节点的网络控制器组成。网络环境模拟器模拟一个真实的Ad Hoc网络环境，网络控制器模拟Ad Hoc网络中的节点，网络环境模拟器是针对移动Ad hoc网而研制的，移动Ad hoc网具有自组织和自适应的特性，包括自适应拓扑探测、自适应拓扑更新、自适应路由选择、网络自动管理功能等。在Ad hoc网络的研制阶段，还需要MAC层多址协议的支撑，常用的有CSMA和TDMA。网络环境模拟器也要为MAC层接入协议提供相应的支持。为了适应这些特性，网络环境模拟器应具有以下功能：

·能够任意改变网络拓扑关系，并且网络节点的移动速度可以按照真实的情况模拟；

·模拟无线传输环境，实现节点间的数据传输，并能实现无线信道的特性，在各通信节点传输路径上可以加不同的误码；

·能够为网络中的节点提供时间基准和时间同步信息，以支持TDMA或者跳频接入协议；

·支持多频分层分布式的网络拓扑结构，能够模拟网络中的节点之间的多信道；

·能够跟踪每个节点接收和发送的数据包，为网络层和MAC层的调试提供支持；

·能够提供相关信息的界面显示，能够显示网络拓扑结构，以及网络节点收发状态、收发历程及信道信息；

　　系统硬件设计

网络环境模拟器主要由主控MCU、总线驱动模块、多串口扩展模块、LCD显示模块、键盘模块等组成。其系统框图如图1所示。

主控MCU与多串口扩展模块和LCD显示模块之间采用EBI总线通信，为了增强MCU总线的驱动能力，在主控MCU与外围之间有一个总线驱动模块。键盘模块跟MCU的IO口相连。主控MCU完成外围电路的控制，处理整个模拟器的工作流程。多串口扩展模块完成网络环境模拟器的端口扩展。LCD显示模块完成网络拓扑、节点收发状态、节点是否碰撞、节点收发数据的长度以及节点收发历程的显示。键盘模块完成节点移动，改变网络拓扑结构。

　　主控MCU模块

主控MCU模块是网络环境模拟器的核心处理部分，完成外围显示模块、串口扩展模块及键盘控制模块的控制，处理整个模拟器的工作流程。

MCU采用ATMEL公司的32位ARM微处理器AT91RM9200。AT91RM9200芯片基于ARM920T内核，为32位 RISC处理器，它工作在180MHz频率下，运算速度可高达200MIPS。由于AT91RM9200 内部只有16KB的SRAM，远远不能满足应用程序的要求，需要扩展外部SDRAM及FLASH。外扩的存储芯片采用ICSI公司的SDRAM芯片IC42S32200L和MICRON公司的FLASH芯片 MT28F640J3。IC42S32200L数据总线是32位的，存储空间为64Mbit，MT28F640J3数据总线是16位的，存储空间为64Mbit。

　　串口扩展模块

网络环境模拟器需要提供多个与网络节点的接口，这里我们采用RS-232标准串口作为通信端口。AT91RM9200的串口只有4个（其中有一个是DEBUG串口），所以我们需要外部扩展串口。在串口扩展模块中，我们采用TI公司的TL16C554A作为串口扩展芯片。基于AT91RM9200＋TL16C554A的嵌入式系统的多串口扩展是网络环境模拟器硬件的主体部分。TL16C554A与主控MCU的接口连接如图2所示。

TL16C554A是TI公司生产的4通道异步收发器集成芯片，TL16C554A的主要特点如下：由4个带有逻辑控制的TL16C550A异步通信单元