專利名稱：基于二線制的深海長距離通信網絡系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及以交換為功能特征的網絡，是一種基于二線制的深海長距離通信網絡系統。
背景技術：
近年來，隨著人類社會生產力的不斷發展，對資源的需求量也日益增加，然而陸地上的資源日漸枯竭，而廣闊無際的海洋蘊藏著極其豐富的資源而且尚未得到開發，因此，海洋資源的開發成了世界各國新一輪競爭的焦點之一。開發海洋，特別是大洋底部要克服眾多的困難，如深水高壓、水底透光度小、局部區域高溫、水下地形不熟、水下設備供電困難、信息傳輸距離遠等等不利因素，但如何實現水下系統信息的長距離、高效率傳輸是開發海洋首先要面臨解決的問題。普通的數字信號通信距離只有幾十米；電磁波在水中衰減很快，不適合用于水下通信；聲納系統要求大功率，設備龐大；光纖通信能實現長距離通信，但是設備昂貴，建設投資大。
發明內容
本發明的目的是提供一種基于二線制的深海長距離通信網絡系統，是一種具有高可靠性的長距離數字信號通信網絡，以滿足深海探測中的通信要求。
本發明采用的技術方案如下整個網絡由一個水上主機節點和數個水下終端節點組成，水上主機節點由0號節點通信模塊和微機組成，水下終端節點由與0號節點通信模塊結構相同的節點通信模塊和水下探測體組成，所有節點內部通過串行通信RS-232交換數據，節點通過信號耦合的方式并聯掛接在海底動力電纜上。
所說的節點通信模塊它包括，中央處理器、串行通信驅動模塊、通信轉換芯片、調制解調模塊、信息存儲模塊、濾波和功率放大模塊以及耦合器七大部分。中央處理器主要是采用高速的數字信號處理芯片TMS320LF2407；串行通信模塊由串行通信驅動芯片MAX232和串行通信接口組成，它與中央處理器的串行通信口引腳相連接；信息存儲模塊主要包括存儲器芯片AT28C256和邏輯控制芯片GAL16V8，連接在中央處理器的地址和數據總線上；通信轉換芯片主要采用具有將中央處理器的SPI信號和普通串行通信信號互相轉換功能的芯片MAX3100，它通過中央處理器特有的SPI通信口與中央處理器相連接；調制解調模塊由高速FSK調制解調芯片組NE5080和NE5081組成，通過信號轉換芯片和中央處理器進行數據交換；濾波和功率放大模塊主要是由四階的切比雪夫高、低通濾波器和乙類推挽功率放大電路組成，實現調制解調模塊輸出信號的濾波和功率放大及輸入信號的前置濾波；耦合器主要包括傳輸變壓器和信號耦合電容，實現從海底電纜上提取信號或將信號耦合到海底電纜上，提供信號和海底電纜之間的接口。
本發明與背景技術相比具有的有益的效果是在深海海底，在如深水高壓、水底透光度小、局部區域高溫、水下地形復雜、水下設備供電困難、信息傳輸距離遠等不利的環境下，在現有的探測設備沒有多余空閑的通信線路可以用于專門的通信的情況下，可以很好地克服上述困難，實現深海海底長距離通信的要求。
圖1是本發明的總體結構示意圖；圖2是本發明的節點通信模塊連接框圖；圖3是本發明的串行通信電平匹配電路圖。
具體實施例方式
如圖1所示，整個網絡由一個水上主機節點和數個水下終端節點組成，水上主機節點由0號節點通信模塊和微機組成，水下終端節點由與0號節點模塊結構相同的節點通信模塊和水下探測體組成，所有節點內部通過串行通信RS-232交換數據，節點通過信號耦合的方式并聯掛接在海底動力電纜上。
如圖2所示，節點通信模塊它包括，中央處理器、串行通信驅動模塊1、通信轉換芯片、調制解調模塊、信息存儲模塊2、濾波和功率放大模塊3以及耦合器七大部分。中央處理器主要是采用高速的數字信號處理芯片TMS320LF2407；串行通信模塊1由串行通信驅動芯片MAX232和串行通信接口組成，它與中央處理器的串行通信口引腳相連接；信息存儲模塊2主要包括存儲器芯片AT28C256和邏輯控制芯片GAL16V8，連接在中央處理器的地址和數據總線上；通信轉換芯片主要采用具有將中央處理器的SPI信號和普通串行通信信號互相轉換功能的芯片MAX3100，它通過中央處理器特有的SPI通信口與中央處理器相連接；調制解調模塊由高速FSK調制解調芯片組NE5080和NE5081組成，通過信號轉換芯片和中央處理器進行數據交換；濾波和功率放大模塊3主要是由四階的切比雪夫高、低通濾波器和乙類推挽功率放大電路組成，實現調制解調模塊輸出信號的濾波和功率放大及輸入信號的前置濾波；耦合器主要包括傳輸變壓器和信號耦合電容，實現從海底電纜上提取信號或將信號耦合到海底電纜上，提供信號和海底電纜之間的接口。
由于中央處理器芯片TMS320LF2407采用3.3V電壓供電，引腳的輸入/輸出電平均為3.3V的TTL邏輯電平，而標準的RS-232串行通信邏輯電平為±12V，所以要經過信號電平轉換、驅動芯片來實現串行通信，本系統采用串行通信驅動芯片MAX232芯片作為中央處理器芯片的串行通信接口的電平轉換和驅動芯片。由于中央處理器芯片TMS320LF240的供電電壓為3.3V，所以和外圍的5V供電工作的芯片相連接時，要涉及到邏輯電平匹配問題。中央處理器芯片TMS320LF2407與串行通信驅動芯片MAX232之間的電平匹配電路如附圖3所示，中央處理器芯片TMS320LF2407的串行通信口輸出引腳SCITXD上輸出的3.3V邏輯電平信號經過晶體管二極管D1和上拉電阻R1后和串行通信驅動芯片MAX232的串行通信信號輸入引腳T2I相連接，串行通信驅動芯片MAX232的串行通信信號輸出引腳T20輸出的信號經過電阻R2、R3的分壓和中央處理器芯片TMS320LF2407串行通信口輸入引腳SCIRXD相連接。如圖3所示。
信息在以海底動力電纜為介質的網絡上傳輸，不僅要克服長距離的困難，而且更重要的一點是要克服電纜上的信號干擾和衰減保證信息的可靠性，因此網絡中的每一個節點都具備中繼的功能，這樣可以使的信息包正確地傳到目的地址。除了硬件上采取的必要的措施外，軟件的數據包中包含目的地址、源地址、校驗碼等等，在每次接收到的數據包進行奇偶校驗和糾錯校驗。此外還采用了信息回傳模式，即水下節點每接到一個信息包都將信息包回發給主機節點，主機節點再校驗此信息包是否與其發送的信息包一致，如一致表明鏈路正確已建立，可以執行下一步的命令；如不一致，或沒有接收到水下節點回發的信息包，則主機節點要重發此指令；重發超過三次或長時間無應答則表明網絡上的該節點出現故障，進行報警提示。
另外，網絡上的節點可以到達多個，因此會出現節點之間信息傳輸競爭，當網絡上掛接的節點很多時，通信情況復雜，經常會出現幾個節點同時發送信息的情況，造成線路信息混亂。為了避免這種情況，我們借鑒了以太網的成功經驗，引入以太網的競爭仲裁機制，由主機節點分配、仲裁節點對網絡總線的占有權，具有總線占有權的節點才能通過總線進行信息傳送，而同時其它節點偵聽網絡總線，在總線空閑時向總線發送信息，此外還采用信息短幀傳輸，每幀占用線路的時間很短，這樣可以有效的提高總線的利用率和暢通性。
通過采用以上措施最大限度地協調了個通信設備，且保證了總線有較高的占用率。
一、網絡的構建整個網絡由一個水上主機節點和數個水下終端節點組成，網絡上的每一個節點都具有在整個網絡上被唯一標識的網絡地址號(依照節點在網絡上的順序依次編號)。主機節點由網絡主機和網絡上的0號節點通信模塊共同構成，主機和0號節點通信模塊之間通過標準的RS-232串行通信協議進行數字通信。終端節點是由與0號節點通信模塊結構相同的其它標號的節點通信模塊和各個水下探測體組成，終端節點內部也是通過標準的RS-232進行數字通信，同時每水下終端節點都具備中繼功能，以保證網絡可以被延伸到很長的距離和容納足夠多的終端節點。各處的節點通信模塊為各個節點處的設備提供了一個網絡的物理連接介質和網絡協議的封狀，避免了設備和海底動力電纜直接相連接，數字的調制解調、打包以及網絡總線的占有、使用都是由節點通信模塊來完成，節點處設備和節點通信模塊之間的信息交換始終是數字方式的，而各處節點模塊與網絡的信息交換是基于電力線載波通信和現場總線技術完成的。
連接各節點的海底動力電纜在深海不僅要承受幾百個大氣壓的高壓和自身重量帶來的拉力，同時還要受到海洋中各種未知信號的干擾，所以用普通的同軸電纜無法滿足要求，所以，本發明中采用鎧裝電纜同時作為海底動力傳輸線和信息交換的網絡總線。
二、網絡規則(1)、網絡中的幾個條件約束定義根據信號在海底動力電纜上的衰減規律，確定以10公里作為網絡上無中繼傳輸的最大距離。因此規定對于網絡中的任意一個節點K(k≥)，以函數d(k，m)表示節點和節點之間的距離，則網絡上節點之間安裝距離具有以下約束條件 即相鄰兩個節點之間的相鄰距離最大不得超過無中繼的最大通信距離10km。對于網絡中的任意一個節點K，在K節點的內存空間中保存有滿足如下條件的節點地址表T(k)＝{m|d(m，k)≤10km}即保存有與該終端節點K相距在10km范圍內的所有其它節點的網絡地址。在主機中除保存有以上地址表外，還保存有另外一張整個網絡中節點地址和距離全局表。
(2)、網絡通信中的幀格式在通信時，主要采取主機輪流查詢各個水下終端節點為主，水下終端節點數據主動上傳為輔的形式，因此網絡上傳遞的報文幀格式采用如表所示的格式
一個完整的信息幀由報頭和報文組成，信息幀的報頭包括數據長度、數據傳輸方向和源節點N1、中繼節點N2、目標節點N3的網絡地址；信息幀的報文包括命令碼和數據區。
數據長度指整個一幀信息所包含的數據總的字節數。數據長度＝報頭字節數+報文字節數；數據傳輸方向標示這一幀數據在網絡上的傳輸方向，由主機節點發往終端節點或是由下位終端節點發往主機節點；源節點N1標示信息幀的發起者的地址，為節點在網絡中的網絡地址號；中繼節點N2標示信息幀經過中繼轉發的節點的網絡地址號；目標節點N3標示信息幀的最終接受者的網絡地址號；命令碼信息發起者發往接受者的控制命令和要求；數據區由源節點依照一定的要求發往目標節點的數據；(3)、節點搜索過程(a)、目標節點搜索和信息發送規則假設網絡中的主機節點需要向終端節點K發送信息，則主機節點首先在保存的網絡節點全局表中搜索目標節點地址。如果沒有找到則表明該節點在網絡中不存在或者已經損壞。如果找到，然后再在網絡地址表T(m)中搜索目標節點的網絡地址。如果在表T(m)中找到了該目標節點的地址，則表明d(0，k)≤10km，也就是兩個節點之間的距離小于10km無中繼最大通信范圍，主機節點直接將中繼節點地址和目標節點地址設置成為終端節點K的網絡地址號，直接發送；如果在地址表T(m)中沒有找到，則把表中沿數據發送方向距離主機節點最遠的節點設置為中繼節點，發送信息幀。
(b)、信息接受及中繼節點設置規則當某個終端節點接受到一幀信息時，首先檢查該幀信息中包含的中繼節點地址N目標是否和自身的節點地址相符，再檢查信息幀包含的目標節點地址是否和自身節點地址相同。如果兩者都相符合則表明信息是傳給該節點的，節點將繼續進行信息處理；如果中繼節點地址不符，則表明不是該節點要接受或者轉發的信息，放棄進一步的處理；如果節點地址符合而目標地址不符合，則表明該幀信息需要該節點轉發，節點首先在內存中的網絡節點地址表中沿數據傳輸方向搜索終端節點。如果在T(m)表沿數據傳輸方向區段中找到節點地址N目標，則直接將信息傳送給目標節點，并把中繼節點地址改為目標節點地址；如果在T(m)表沿數據傳輸方向上沒有找到節點地址N目標，則將該幀中的中繼節點的地址改為沿數據傳輸方向距離當前節點距離最大的節點的網絡地址，并把信息幀轉傳給該中繼節點。
三、通信工作過程網絡的工作過程可以分為兩部分下行通信和上行通信。下行通信是指主機節點作為呼叫方，呼叫某個終端節點。在兩個節點之間開始通信時，主機節點首先要進行目標節點地址搜索，當主機需要和某個終端節點K進行通信時，首先需要查找到該終端節點K的網絡地址號和距離，當d(0，k)≤10km時，主機和終端節點之間直接進行連接通信；當主機與終端節點K之間的距離d(0，k)＞10k時，主機按照上述網絡通信規則設置中繼節點，借助中繼節點快速可靠地與通信目標節點建立通信信道。上行通信是指終端節點K呼叫主機，申請網絡總線占有權。當節點K與主機之間的距離d(0，k)≤10km時，節點K無需經過其它節點的中繼轉發，直接和主機建立連接進行通信；當節點K與主機之間的距離d(0，k)＞10k時，需要按照網絡規則設定中繼轉發與主機建立通信鏈路。
四、具體的通信過程網絡上的通信過程如下1)網絡計算機主機通過RS-232串行口向0號節點通信模塊發通信信息幀，此信息幀包含數據發送方向、目標節點地址、命令碼和數據區等；2)0號節點通信模塊中央處理器從串口緩沖區中取出主機下送的信息幀后，按照網絡規則設置信息幀的報頭，將它切割為短幀命令，并通過中央處理器的SPI通信口將信號轉換后傳遞給調制解調模塊逐一經過調制，在濾波和功率放大后耦合到動力電纜上，將信息幀向目標終端節點通訊模塊發送。
3)水下終端節點通訊模塊從海底動力電纜上提取到主機節點通訊模塊的傳輸過來的信息后，每一幀信息均向主機節點發出回應，如果主機節點收到的回應信息不正確，則此幀內容將被重新發送。
4)終端節點通訊模塊在接收完所有對應于此通訊命令的短幀命令后，檢測該信息幀的目標節點是否為自身，如果目標節點是自己則按照網絡信息報文格式將其翻譯成與水下探測體通信相符的通信命令格式，通過RS-232串行通信口向水下探測體發送接收到的命令；如果目標節點不是自己則按照網絡通信中的中繼節點設置規則，轉發此信息幀。
5)水下探測體在接收到命令后，產生相應的動作，并按照通信命令的要求產生相應的應答信息，通過RS-232串行通信口發送給終端節點通信模塊。
6)終端節點通訊模塊在接收到水下探測體的回復命令后，經過調制模塊調制為符合電力線傳輸的短幀命令，通過電纜向主機節點通信模塊發送。
7)主機節點通信模塊在收到水下終端節點通信模塊的信息后，每一幀均向終端節點通信模塊發出回應，如果終端節點通信模塊收到的回應信息不正確，則此幀信息的內容將被重新發送。
8)主機節點通信模塊在接收完所有信息的短幀命令后，將其按照網絡報文設置規則翻譯成與主機通信相符合的通信命令，并通過RS-232串行通信口向主機發送。
9)主機在收到應答信息后，檢驗此應答信息有無錯誤，如果沒有錯誤發生，則完成此通信過程。如果發現有錯誤，則重發此信息。
10)如果主機經過一定量的延時后仍未能收到水下終端節點的應答信息，則將通信命令重發。
11)如果主機重發三次信息，而仍未能在規定的時間內獲得應答，則認為目標終端節點出現了嚴重故障，在節點數據庫中做出標識，顯示提示信息要求進行處理。
12)網絡中的某水下終端節點需要和主機通信時，通信過程和上面的過程類似。
權利要求
1.一種基于二線制的深海長距離通信網絡系統，其特征在于整個網絡由一個水上主機節點和數個水下終端節點組成，水上主機節點由0號節點通信模塊和微機組成，水下終端節點由與0號節點通信模塊結構相同的節點通信模塊和水下探測體組成，所有節點內部通過串行通信RS-232交換數據，節點通過信號耦合的方式并聯掛接在海底動力電纜上。
2.根據權利要求1所述的基于二線制的深海長距離通信網絡系統，其特征在于所說的節點通信模塊它包括，中央處理器、串行通信驅動模塊(1)、信號轉換芯片、調制解調模塊、信息存儲模塊(2)、濾波和功率放大模塊(3)以及耦合器七大部分，中央處理器采用高速的數字信號處理芯片TMS320LF2407；串行通信模塊(1)由串行通信驅動芯片MAX232和串行通信接口組成，它與中央處理器的串行通信口引腳相連接；信息存儲模塊(2)包括存儲器芯片AT28C256和邏輯控制芯片GAL16V8，連接在中央處理器的地址和數據總線上；信號轉換芯片采用具有將中央處理器的SPI信號和普通串行通信信號相互轉換功能的芯片MAX3100，它通過中央處理器特有的SPI通信口與中央處理器相連接；調制解調模塊由高速FSK調制解調芯片組NE5080和NE5081組成，通過信號轉換芯片和中央處理器進行數據交換；濾波和功率放大模塊(3)包括由四階的切比雪夫高、低通濾波器和乙類推挽功率放大電路，實現調制解調模塊輸出信號的濾波和功率放大及輸入信號的前置濾波；耦合器包括傳輸變壓器和信號耦合電容，從海底電纜上提取信號或將信號耦合到海底電纜上，提供信號和海底電纜之間的接口。
全文摘要
本發明涉及到以交換為功能特征的網絡，是一種基于二線制的深海長距離通信網絡系統。它包括一個水上主機節點和數個水下終端節點，水上主機節點由0號節點通信模塊和水上主機組成，水下終端節點由與0號節點通信模塊結構相同的節點通信模塊和水下探測體組成，所有節點內部通過RS－232串行通信交換數據，節點通過信號耦合的方式并聯掛接在海底動力電纜上。本發明主要依托于動力線載波通信和現場總線技術，在海底同時以海底動力電纜為動力和信息傳輸的介質，構建一個通信網絡系統，解決深海海底長距離通信的要求。
文檔編號H04B3/00GK1424830SQ02156220
公開日2003年6月18日 申請日期2002年12月12日 優先權日2002年12月12日
發明者金波, 徐振賢, 陳鷹, 沈海闊, 陳飛飛, 李勇 申請人:浙江大學