水声信道匹配根底研讨是树立在水声学、海洋物理声学以及现代信号处理技能根底上的新式研讨范畴。为满意研讨需求而构建的部分海域水声信道丈量渠道（图 1），能够完结环境信息和信道参量的体系收集和实时传递，对信道宽恕匹配办法的可行性进行查验。
浮标体系以它的灵敏、高效、本身搅扰小等特色，在水声信道研讨中发挥着其它设备不行代替的效果。现有的浮标体系大多选用直接序列扩频电台直接进行水面通讯，这种办法往往不运用网络协议或运用自定义的网络协议。而选用无线网桥进行水面通讯，以TCP/IP作为网络协议，将大大增强浮标体系网络化。一起因为TCP/IP协议是现在最为老练的网络协议之一，浮标网络的稳定性、可扩展性都得以进步，乃至经过互联网直接操控浮标体系也成为可能。因而，本文根据TCP/IP网络协议规划并完结了浮标网络通信体系。
1、浮标网络通讯体系规划
1.1 根据TCP/IP网络协议的浮标通讯体系
水声信道匹配根底研讨所运用的浮标具有水下传感器单元、信号处理单元及水面通讯单元。其间水面通讯单元担任浮标与岸基操控站、丈量船及其它浮标的信息交流，要求具有网络通讯功用。
浮标网络通讯体系由无线网桥、TCP/IP协议操控单元及微操控器(MCU)组成，如图 2所示。无线网桥选用较为老练网桥产品，如BreezeNET无线网桥，其功用是经过无线网路传输TCP/IP数据包。MCU担任对TCP/IP协议栈的进行设置，并写入待发数据及读出接纳数据。
TCP/IP协议栈的完结是浮标网络通讯体系的中心部分。其完结办法能够选用软件完结，但该办法一般要求处理速度较高的MCU，并且占用很多代码空间，一起编程需求对整个TCP/IP 协议的机制和细节十分了解，开发难度大。而硬件完结办法则把MCU从深重的网络协议运转工作中解放出来，然后进步了体系功率。
数据或指令由无线网桥发送或接纳。它经过RJ45接口经变压器与10Base-T通用以太网接口操控器RTL8201相连。RTL8201经过MII标准接口与W3100A交流数据。RTL8201从W3100A处接纳以太帧，然后进行曼彻斯特编码，发送以太网帧时，先在帧前端加上帧开始标志。当*到网络中有以太网帧存在时，RTL8201接纳模块首要用锁相环电路完结与物理信号同步，然后对物理信号采样接纳并送给曼彻斯特解码功用块，终究得到W3100A能辨认的归“0”码（已把帧前导码别离），并将其经过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，经过操控各个协议层的相关操控寄存器，数据在TCP层中增加上各个操控标志等，封装成为TCP段，完结面向衔接的牢靠传输；TCP段接着交给IP层进行打包，IP层的一个重要功用是完结对TCP段的分片，以到达IP数据报能够最大功率运用以太网帧的数据区的意图。完好的IP数据报继续传给网络接口层，LLC子层运用物理层供给的不行靠的比特链路，完结牢靠的分组传输服务，MAC子层为数据分组增加意图节点的物理地址，MAC完结不行靠的分组传输。经过网络接口层后，终究封装成帧格局，然后再经过MII接口送入RTL8201，在RTL8201里进行曼彻斯特编码并增加前导信号等。当RTL8201*到物理链路空闲时，当即经过RJ45接口把数据帧发送到以太网上。接纳数据时则进行相反的操作，收发器接纳以太网上的物理信号把前导码别离出来并进行曼彻斯特解码，把成果传送给网络接口层，网络接口层MAC子层查看帧的物理意图地址是否与自己的相同，以决议是否交给LLC子层，LLC用过失检测位判别分组是否正确。正确的分组被送入IP层，在IP层中检测过错、拆封并进行分片重组后送给TCP层，TCP层完结面向衔接的牢靠传输，所以TCP层将进行严厉的过失操控，再从TCP段中取出数据，然后经过数据接口传送回MCU。物理帧经过各个协议层进行解包，终究把数据传回MCU，但在各层解包时假如IP地址或数据犯错等，数据包将被丢掉，并要求重传。假如处理的报文是ICMP、UDP 或ARP等时，其大致流程是相同的，不同报文的差异会在相应的包头指示出来，供协议辨认。
1.2 TCP/IP协议栈W3100A简介
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。其功用框图如图 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支撑全双工20Mbps的数据通信，并可一起支撑4个独立的网络衔接；供给16KB的数据缓冲双口SRAM；选用0.35μm的CMOS工艺，64引脚LQFP封装；选用3.3V电源电压，其I/O接口兼容了5V的数字逻辑电平，可十分便利地与MCU和DSP接口衔接。
2、电路规划
该体系的首要电路由微操控器MSP430F169、网络协议栈W3100A、以太网接口操控器RTL8201及网络接口构成。W3100A与MSP430F169的衔接可选用I2C接口形式或直接总线形式。选用I2C接口形式的长处是电路简练，占用端口资源少。但I2C接口的传输速度会遭到必定约束，所以当要求更高传输速度时，可选用直接总线接口办法，如图 4所示。W3100A供给MII接口与RTL8201相连，其间引脚RX_CLK、RXDV、RXD[0:3]以及COL用于数据的接纳，而TX_CLK、TXE、TXD[0:3]用于数据的发送。
在接口的完结中，以太网变压器是不行短少的。在差分发送引脚(TX+/TX-)上，需求一个专用于10BASE-T 操作的脉冲变压器，即将发送的数据发送到网络上。网络传来的数据也经过变压器，由差分接纳引脚(RX+/RX-)接纳。以太网变压器的效果首要是将外部线路与RTL8201离隔，避免搅扰和烧坏元器件，完结带电的插拔功用。本规划选用了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，在简化了连线的一起也进步了高频信号传输的牢靠性。
一起在规划复位电路时应留意，因为W3100A的复位引脚为高电平有用，而MSP430F169和RTL8021的复位引脚为低电平有用，所以在规划复位电路时要求一起发生高、低两路复位信号，如图 6所示。
3、软件规划
3.1 MSP430总线读写
W3100A有专门的微操控器接口与MCU相连，其总线操作相似于MCU对外部存储器的读写。但MSP430微操控器没有专门的外部扩展总线接口，所以这儿选用通用端口模仿外部扩展总线端口。关于W3100A的拜访要按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：
写总线进程与读总线相似，不同的是将P4端口设为输出状况，并操作写有用（/WE）。要留意的是/WE康复到高电平时的上升沿触发数据写入。
3.2 网络传输操控
经过Wiznet公司为W3100A专门供给的Socket API函数，可使网络通讯的软件规划愈加便利。首要初始化W3100A的网络设置，即在相应的寄存器中设置默许网关、子网掩码、本机物理地址和IP地址，然后树立Socket衔接以完结通讯。整个进程与Windows Socket编程十分相似。
树立TCP衔接的流程如图 9所示。首要完结芯片的TCP/IP初始化，设置相应通道如0通道的协议挑选寄存器C0_SPOR为0X01；挑选TCP协议，履行通道0指令寄存器C0_CR中的sock_init指令位， 一起将C0_TW_PR、C0_TR_PR及C0_TA_PR置成同一值；然后履行C0_CR的connect和listen指令位，此刻TCP衔接就树立起来。
W3100A内部的16KB的双口RAM作为数据发送和接纳缓冲。其间0x4000～0x5FFF的地址空间是发送数据缓冲区，0x6000～0x7FFF的地址空间是接纳数据缓冲区。MCU程序即将发送的数据写入发送缓冲区，并从接纳缓冲区读出收到的数据。当成批的数据发送时，必定要先查询1次发送数据指针，然后计算出能够运用的发送缓冲区的巨细。图 10暗示了TCP数据发送的程序流程。数据接纳的进程与发送进程相似，在此不再赘述。
4、测验及剖析
功用测验的关键在于对体系的可用性及稳定性进行试验。为此，树立了一个简化通讯网络，选用PC机作为通讯网络的一个终端，浮标作为另一终端。经过测验两者间的通讯状况来试验本体系功用。
首要，测验网络衔接状况。作为必要的IP试验，由PC机将PING指令发送给浮标，PC机显现成果如图 11所示。
在局域网疏通的状况下，理论上0字节的PING恳求均匀呼应时刻为1ms，试验成果验证了网络衔接的正常。
经过很多转发数据的办法测验体系稳定性。由PC机发送数据至浮标，浮标将数据直接转发回PC机，PC机比较宣布数据与接纳数据，以判别误码状况。室温条件下，通讯间隔100米，进行三组各继续10小时的收发试验，无丢包现象，误码率10-9，契合规划要求。要指出的是，因为海况及通讯间隔的不同，体系的传输误码率将有所不同，但在大都状况下该体系作为指令收发的通道是彻底牢靠的。
5、定论
TCP/IP协议在浮标体系中的使用极大的增强了浮标网络的稳定性及可扩展性。本规划选用MSP430微操控器及网络协议栈W3100A很好地完结了浮标体系的低功耗网络通讯体系，为水声信道匹配根底研讨供给了抱负的网络通讯保证。一起本规划也能够嵌入到其它设备中，如户外丈量仪器、车载体系等，为更多的嵌入式体系供给网络化服务，具有十分宽广的应有远景。
