CN1424830A - 基于二线制的深海长距离通信网络系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到以交换为功能特征的网络，是一种基于二线制的深海长距离通信网络系统。它包括一个水上主机节点和数个水下终端节点，水上主机节点由0号节点通信模块和水上主机组成，水下终端节点由与0号节点通信模块结构相同的节点通信模块和水下探测体组成，所有节点内部通过RS－232串行通信交换数据，节点通过信号耦合的方式并联挂接在海底动力电缆上。本发明主要依托于动力线载波通信和现场总线技术，在海底同时以海底动力电缆为动力和信息传输的介质，构建一个通信网络系统，解决深海海底长距离通信的要求。

Description

基于二线制的深海长距离通信网络系统

                           技术领域

本发明涉及以交换为功能特征的网络，是一种基于二线制的深海长距离通信网络系统。

                           背景技术

近年来，随着人类社会生产力的不断发展，对资源的需求量也日益增加，然而陆地上的资源日渐枯竭，而广阔无际的海洋蕴藏着极其丰富的资源而且尚未得到开发，因此，海洋资源的开发成了世界各国新一轮竞争的焦点之一。开发海洋，特别是大洋底部要克服众多的困难，如深水高压、水底透光度小、局部区域高温、水下地形不熟、水下设备供电困难、信息传输距离远等等不利因素，但如何实现水下系统信息的长距离、高效率传输是开发海洋首先要面临解决的问题。普通的数字信号通信距离只有几十米；电磁波在水中衰减很快，不适合用于水下通信；声纳系统要求大功率，设备庞大；光纤通信能实现长距离通信，但是设备昂贵，建设投资大。

                            发明内容

本发明的目的是提供一种基于二线制的深海长距离通信网络系统，是一种具有高可靠性的长距离数字信号通信网络，以满足深海探测中的通信要求。

本发明采用的技术方案如下：整个网络由一个水上主机节点和数个水下终端节点组成，水上主机节点由0号节点通信模块和微机组成，水下终端节点由与0号节点通信模块结构相同的节点通信模块和水下探测体组成，所有节点内部通过串行通信RS-232交换数据，节点通过信号耦合的方式并联挂接在海底动力电缆上。

所说的节点通信模块它包括，中央处理器、串行通信驱动模块、通信转换芯片、调制解调模块、信息存储模块、滤波和功率放大模块以及耦合器七大部分。中央处理器主要是采用高速的数字信号处理芯片TMS320LF2407；串行通信模块由串行通信驱动芯片MAX232和串行通信接口组成，它与中央处理器的串行通信口引脚相连接；信息存储模块主要包括存储器芯片AT28C256和逻辑控制芯片GAL16V8，连接在中央处理器的地址和数据总线上；通信转换芯片主要采用具有将中央处理器的SPI信号和普通串行通信信号互相转换功能的芯片MAX3100，它通过中央处理器特有的SPI通信口与中央处理器相连接；调制解调模块由高速FSK调制解调芯片组NE5080和NE5081组成，通过信号转换芯片和中央处理器进行数据交换；滤波和功率放大模块主要是由四阶的切比雪夫高、低通滤波器和乙类推挽功率放大电路组成，实现调制解调模块输出信号的滤波和功率放大及输入信号的前置滤波；耦合器主要包括传输变压器和信号耦合电容，实现从海底电缆上提取信号或将信号耦合到海底电缆上，提供信号和海底电缆之间的接口。

本发明与背景技术相比具有的有益的效果是：在深海海底，在如深水高压、水底透光度小、局部区域高温、水下地形复杂、水下设备供电困难、信息传输距离远等不利的环境下，在现有的探测设备没有多余空闲的通信线路可以用于专门的通信的情况下，可以很好地克服上述困难，实现深海海底长距离通信的要求。

                          附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明的节点通信模块连接框图；

图3是本发明的串行通信电平匹配电路图。

                         具体实施方式

如图1所示，整个网络由一个水上主机节点和数个水下终端节点组成，水上主机节点由0号节点通信模块和微机组成，水下终端节点由与0号节点模块结构相同的节点通信模块和水下探测体组成，所有节点内部通过串行通信RS-232交换数据，节点通过信号耦合的方式并联挂接在海底动力电缆上。

如图2所示，节点通信模块它包括，中央处理器、串行通信驱动模块1、通信转换芯片、调制解调模块、信息存储模块2、滤波和功率放大模块3以及耦合器七大部分。中央处理器主要是采用高速的数字信号处理芯片TMS320LF2407；串行通信模块1由串行通信驱动芯片MAX232和串行通信接口组成，它与中央处理器的串行通信口引脚相连接；信息存储模块2主要包括存储器芯片AT28C256和逻辑控制芯片GAL16V8，连接在中央处理器的地址和数据总线上；通信转换芯片主要采用具有将中央处理器的SPI信号和普通串行通信信号互相转换功能的芯片MAX3100，它通过中央处理器特有的SPI通信口与中央处理器相连接；调制解调模块由高速FSK调制解调芯片组NE5080和NE5081组成，通过信号转换芯片和中央处理器进行数据交换；滤波和功率放大模块3主要是由四阶的切比雪夫高、低通滤波器和乙类推挽功率放大电路组成，实现调制解调模块输出信号的滤波和功率放大及输入信号的前置滤波；耦合器主要包括传输变压器和信号耦合电容，实现从海底电缆上提取信号或将信号耦合到海底电缆上，提供信号和海底电缆之间的接口。

由于中央处理器芯片TMS320LF2407采用3.3V电压供电，引脚的输入/输出电平均为3.3V的TTL逻辑电平，而标准的RS-232串行通信逻辑电平为±12V，所以要经过信号电平转换、驱动芯片来实现串行通信，本系统采用串行通信驱动芯片MAX232芯片作为中央处理器芯片的串行通信接口的电平转换和驱动芯片。由于中央处理器芯片TMS320LF240的供电电压为3.3V，所以和外围的5V供电工作的芯片相连接时，要涉及到逻辑电平匹配问题。中央处理器芯片TMS320LF2407与串行通信驱动芯片MAX232之间的电平匹配电路如附图3所示，中央处理器芯片TMS320LF2407的串行通信口输出引脚SCITXD上输出的3.3V逻辑电平信号经过晶体管二极管D1和上拉电阻R1后和串行通信驱动芯片MAX232的串行通信信号输入引脚T2I相连接，串行通信驱动芯片MAX232的串行通信信号输出引脚T20输出的信号经过电阻R2、R3的分压和中央处理器芯片TMS320LF2407串行通信口输入引脚SCIRXD相连接。如图3所示。

信息在以海底动力电缆为介质的网络上传输，不仅要克服长距离的困难，而且更重要的一点是要克服电缆上的信号干扰和衰减保证信息的可靠性，因此网络中的每一个节点都具备中继的功能，这样可以使的信息包正确地传到目的地址。除了硬件上采取的必要的措施外，软件的数据包中包含目的地址、源地址、校验码等等，在每次接收到的数据包进行奇偶校验和纠错校验。此外还采用了信息回传模式，即水下节点每接到一个信息包都将信息包回发给主机节点，主机节点再校验此信息包是否与其发送的信息包一致，如一致表明链路正确已建立，可以执行下一步的命令；如不一致，或没有接收到水下节点回发的信息包，则主机节点要重发此指令；重发超过三次或长时间无应答则表明网络上的该节点出现故障，进行报警提示。

另外，网络上的节点可以到达多个，因此会出现节点之间信息传输竞争，当网络上挂接的节点很多时，通信情况复杂，经常会出现几个节点同时发送信息的情况，造成线路信息混乱。为了避免这种情况，我们借鉴了以太网的成功经验，引入以太网的竞争仲裁机制，由主机节点分配、仲裁节点对网络总线的占有权，具有总线占有权的节点才能通过总线进行信息传送，而同时其它节点侦听网络总线，在总线空闲时向总线发送信息，此外还采用信息短帧传输，每帧占用线路的时间很短，这样可以有效的提高总线的利用率和畅通性。

通过采用以上措施最大限度地协调了个通信设备，且保证了总线有较高的占用率。

一、网络的构建

整个网络由一个水上主机节点和数个水下终端节点组成，网络上的每一个节点都具有在整个网络上被唯一标识的网络地址号(依照节点在网络上的顺序依次编号)。主机节点由网络主机和网络上的0号节点通信模块共同构成，主机和0号节点通信模块之间通过标准的RS-232串行通信协议进行数字通信。终端节点是由与0号节点通信模块结构相同的其它标号的节点通信模块和各个水下探测体组成，终端节点内部也是通过标准的RS-232进行数字通信，同时每水下终端节点都具备中继功能，以保证网络可以被延伸到很长的距离和容纳足够多的终端节点。各处的节点通信模块为各个节点处的设备提供了一个网络的物理连接介质和网络协议的封状，避免了设备和海底动力电缆直接相连接，数字的调制解调、打包以及网络总线的占有、使用都是由节点通信模块来完成，节点处设备和节点通信模块之间的信息交换始终是数字方式的，而各处节点模块与网络的信息交换是基于电力线载波通信和现场总线技术完成的。

连接各节点的海底动力电缆在深海不仅要承受几百个大气压的高压和自身重量带来的拉力，同时还要受到海洋中各种未知信号的干扰，所以用普通的同轴电缆无法满足要求，所以，本发明中采用铠装电缆同时作为海底动力传输线和信息交换的网络总线。

二、网络规则

(1)、网络中的几个条件约束定义

根据信号在海底动力电缆上的衰减规律，确定以10公里作为网络上无中继传输的最大距离。因此规定对于网络中的任意一个节点K(k≥)，以函数d(k，m)表示节点和节点之间的距离，则网络上节点之间安装距离具有以下约束条件：

即相邻两个节点之间的相邻距离最大不得超过无中继的最大通信距离10km。对于网络中的任意一个节点K，在K节点的内存空间中保存有满足如下条件的节点地址表：

T(k)＝{m|d(m，k)≤10km}

即保存有与该终端节点K相距在10km范围内的所有其它节点的网络地址。在主机中除保存有以上地址表外，还保存有另外一张整个网络中节点地址和距离全局表。

(2)、网络通信中的帧格式

在通信时，主要采取主机轮流查询各个水下终端节点为主，水下终端节点数据主动上传为辅的形式，因此网络上传递的报文帧格式采用如表所示的格式：

数据长度	数据传输方向	源节点N1	中继节点N2	目标节点N3
					命令码
数据区

一个完整的信息帧由报头和报文组成，信息帧的报头包括数据长度、数据传输方向和源节点N1、中继节点N2、目标节点N3的网络地址；信息帧的报文包括命令码和数据区。

数据长度：指整个一帧信息所包含的数据总的字节数。数据长度＝报头字节数+报文字节数；

数据传输方向：标示这一帧数据在网络上的传输方向，由主机节点发往终端节点或是由下位终端节点发往主机节点；

源节点N1：标示信息帧的发起者的地址，为节点在网络中的网络地址号；

中继节点N2：标示信息帧经过中继转发的节点的网络地址号；

目标节点N3：标示信息帧的最终接受者的网络地址号；

命令码：信息发起者发往接受者的控制命令和要求；

数据区：由源节点依照一定的要求发往目标节点的数据；

(3)、节点搜索过程

(a)、目标节点搜索和信息发送规则

假设网络中的主机节点需要向终端节点K发送信息，则主机节点首先在保存的网络节点全局表中搜索目标节点地址。如果没有找到则表明该节点在网络中不存在或者已经损坏。如果找到，然后再在网络地址表T(m)中搜索目标节点的网络地址。如果在表T(m)中找到了该目标节点的地址，则表明d(0，k)≤10km，也就是两个节点之间的距离小于10km无中继最大通信范围，主机节点直接将中继节点地址和目标节点地址设置成为终端节点K的网络地址号，直接发送；如果在地址表T(m)中没有找到，则把表中沿数据发送方向距离主机节点最远的节点设置为中继节点，发送信息帧。

(b)、信息接受及中继节点设置规则

当某个终端节点接受到一帧信息时，首先检查该帧信息中包含的中继节点地址N_目标是否和自身的节点地址相符，再检查信息帧包含的目标节点地址是否和自身节点地址相同。如果两者都相符合则表明信息是传给该节点的，节点将继续进行信息处理；如果中继节点地址不符，则表明不是该节点要接受或者转发的信息，放弃进一步的处理；如果节点地址符合而目标地址不符合，则表明该帧信息需要该节点转发，节点首先在内存中的网络节点地址表中沿数据传输方向搜索终端节点。如果在T(m)表沿数据传输方向区段中找到节点地址N_目标，则直接将信息传送给目标节点，并把中继节点地址改为目标节点地址；如果在T(m)表沿数据传输方向上没有找到节点地址N_目标，则将该帧中的中继节点的地址改为沿数据传输方向距离当前节点距离最大的节点的网络地址，并把信息帧转传给该中继节点。

三、通信工作过程

网络的工作过程可以分为两部分：下行通信和上行通信。下行通信是指主机节点作为呼叫方，呼叫某个终端节点。在两个节点之间开始通信时，主机节点首先要进行目标节点地址搜索，当主机需要和某个终端节点K进行通信时，首先需要查找到该终端节点K的网络地址号和距离，当d(0，k)≤10km时，主机和终端节点之间直接进行连接通信；当主机与终端节点K之间的距离d(0，k)＞10k时，主机按照上述网络通信规则设置中继节点，借助中继节点快速可靠地与通信目标节点建立通信信道。上行通信是指终端节点K呼叫主机，申请网络总线占有权。当节点K与主机之间的距离d(0，k)≤10km时，节点K无需经过其它节点的中继转发，直接和主机建立连接进行通信；当节点K与主机之间的距离d(0，k)＞10k时，需要按照网络规则设定中继转发与主机建立通信链路。

四、具体的通信过程

网络上的通信过程如下：

1)网络计算机主机通过RS-232串行口向0号节点通信模块发通信信息帧，此信息帧包含数据发送方向、目标节点地址、命令码和数据区等；

2)0号节点通信模块中央处理器从串口缓冲区中取出主机下送的信息帧后，按照网络规则设置信息帧的报头，将它切割为短帧命令，并通过中央处理器的SPI通信口将信号转换后传递给调制解调模块逐一经过调制，在滤波和功率放大后耦合到动力电缆上，将信息帧向目标终端节点通讯模块发送。

3)水下终端节点通讯模块从海底动力电缆上提取到主机节点通讯模块的传输过来的信息后，每一帧信息均向主机节点发出回应，如果主机节点收到的回应信息不正确，则此帧内容将被重新发送。

4)终端节点通讯模块在接收完所有对应于此通讯命令的短帧命令后，检测该信息帧的目标节点是否为自身，如果目标节点是自己则按照网络信息报文格式将其翻译成与水下探测体通信相符的通信命令格式，通过RS-232串行通信口向水下探测体发送接收到的命令；如果目标节点不是自己则按照网络通信中的中继节点设置规则，转发此信息帧。

5)水下探测体在接收到命令后，产生相应的动作，并按照通信命令的要求产生相应的应答信息，通过RS-232串行通信口发送给终端节点通信模块。

6)终端节点通讯模块在接收到水下探测体的回复命令后，经过调制模块调制为符合电力线传输的短帧命令，通过电缆向主机节点通信模块发送。

7)主机节点通信模块在收到水下终端节点通信模块的信息后，每一帧均向终端节点通信模块发出回应，如果终端节点通信模块收到的回应信息不正确，则此帧信息的内容将被重新发送。

8)主机节点通信模块在接收完所有信息的短帧命令后，将其按照网络报文设置规则翻译成与主机通信相符合的通信命令，并通过RS-232串行通信口向主机发送。

9)主机在收到应答信息后，检验此应答信息有无错误，如果没有错误发生，则完成此通信过程。如果发现有错误，则重发此信息。

10)如果主机经过一定量的延时后仍未能收到水下终端节点的应答信息，则将通信命令重发。

11)如果主机重发三次信息，而仍未能在规定的时间内获得应答，则认为目标终端节点出现了严重故障，在节点数据库中做出标识，显示提示信息要求进行处理。

12)网络中的某水下终端节点需要和主机通信时，通信过程和上面的过程类似。

Claims (2)

1.一种基于二线制的深海长距离通信网络系统，其特征在于：整个网络由一个水上主机节点和数个水下终端节点组成，水上主机节点由0号节点通信模块和微机组成，水下终端节点由与0号节点通信模块结构相同的节点通信模块和水下探测体组成，所有节点内部通过串行通信RS-232交换数据，节点通过信号耦合的方式并联挂接在海底动力电缆上。

2.根据权利要求1所述的基于二线制的深海长距离通信网络系统，其特征在于所说的节点通信模块它包括，中央处理器、串行通信驱动模块(1)、信号转换芯片、调制解调模块、信息存储模块(2)、滤波和功率放大模块(3)以及耦合器七大部分，中央处理器采用高速的数字信号处理芯片TMS320LF2407；串行通信模块(1)由串行通信驱动芯片MAX232和串行通信接口组成，它与中央处理器的串行通信口引脚相连接；信息存储模块(2)包括存储器芯片AT28C256和逻辑控制芯片GAL16V8，连接在中央处理器的地址和数据总线上；信号转换芯片采用具有将中央处理器的SPI信号和普通串行通信信号相互转换功能的芯片MAX3100，它通过中央处理器特有的SPI通信口与中央处理器相连接；调制解调模块由高速FSK调制解调芯片组NE5080和NE5081组成，通过信号转换芯片和中央处理器进行数据交换；滤波和功率放大模块(3)包括由四阶的切比雪夫高、低通滤波器和乙类推挽功率放大电路，实现调制解调模块输出信号的滤波和功率放大及输入信号的前置滤波；耦合器包括传输变压器和信号耦合电容，从海底电缆上提取信号或将信号耦合到海底电缆上，提供信号和海底电缆之间的接口。