0 引 言 　　長(zhǎng)久以來(lái)，串行rs 232和rs 485通信技術(shù)一直是自動(dòng)化儀器、儀表中常用的通信標(biāo)準(zhǔn)。但近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展及其在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用，使得工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)和儀器、儀表領(lǐng)域加速了向智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的進(jìn)程。出現(xiàn)了電力線通信技術(shù)、無(wú)線紅外和藍(lán)牙通信技術(shù)、基于usb接口的通信技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)以及嵌入式internet接入技術(shù)等新技術(shù)。其中基于嵌入式internet接入技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化儀器是近年提出的全新概念，它是儀器檢測(cè)技術(shù)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微電子技術(shù)深度融合的產(chǎn)物口。檢測(cè)儀器接入internet，成為執(zhí)行測(cè)量和控制任務(wù)的儀器web站點(diǎn)，這種網(wǎng)絡(luò)化儀器可以像普通儀器那樣按設(shè)定程序?qū)ο嚓P(guān)物理量進(jìn)行自動(dòng)測(cè)控、存儲(chǔ)和顯示等，同時(shí)允許已授權(quán)的用戶通過(guò)internet遠(yuǎn)程對(duì)儀器進(jìn)行操作、監(jiān)控、故障診斷等。在具體的應(yīng)用中，出現(xiàn)了不少問(wèn)題，其中之一就是傳輸率和系統(tǒng)利用率不高，本文正是在這種背景下產(chǎn)生的。　　1 tcp通信硬件接口　　典型的8位機(jī)采用tcp協(xié)議接入internet的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口如圖1所示。rtl8019as以其優(yōu)異的性價(jià)比，成為目前單片機(jī)以太網(wǎng)系統(tǒng)的首選以太網(wǎng)接口芯片。該芯片符合ieee802.3 10base2和10baset標(biāo)準(zhǔn)，具有自動(dòng)奇偶檢測(cè)和糾錯(cuò)功能，支持全雙工工作模式。如圖1中，rtl8019as工作于8位跳線模式，數(shù)據(jù)線sd0～sd7與8位單片機(jī)(51系列)的數(shù)據(jù)線(ad0～ad7)相連，地址線a0～a4與8位單片機(jī)的地址線(a0～a4)相連。讀寫(xiě)信號(hào)經(jīng)74s04產(chǎn)生。rtl8019as的基地址(配合引腳34(aen))為0x8000h，對(duì)應(yīng)rtl8019as內(nèi)部地址0x300h。rtl8019as通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變壓器hr901170a和rj45接口與以太網(wǎng)相連接入internet，隔離網(wǎng)絡(luò)上的干擾信號(hào)。　　2 單片機(jī)系統(tǒng)中tcp通信問(wèn)題分析　　tcp協(xié)議是tcp／ip協(xié)議簇的核心，也是最復(fù)雜的協(xié)議。但由于其獨(dú)特的自動(dòng)檢錯(cuò)和重發(fā)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可靠通信，但也正是由于其復(fù)雜性，在8位機(jī)上實(shí)現(xiàn)tcp協(xié)議通信耗時(shí)就比較多，傳輸速率低下。tcp協(xié)議的數(shù)據(jù)通信過(guò)程，以客戶機(jī)為例進(jìn)行分析。圖2是典型的采集系統(tǒng)tcp數(shù)據(jù)通信的時(shí)間序列圖。在建立連接后，由客戶機(jī)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。假設(shè)此時(shí)客戶機(jī)的啟始序列號(hào)為100，每次固定發(fā)送100字的樣數(shù)據(jù)。服務(wù)器負(fù)責(zé)接受該數(shù)據(jù)，但不下發(fā)任何送數(shù)據(jù)，只確認(rèn)所接收的數(shù)據(jù)，其啟始序列號(hào)為50。對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)，由于其處理速度和內(nèi)存資源的局限，通常的處理流程如圖3?！　∮捎诜?wù)器(一般為裝有windows系統(tǒng)的微機(jī)或工業(yè)計(jì)算機(jī))并不是收到數(shù)據(jù)就直接發(fā)送確認(rèn)，而是繼續(xù)等待接受序列中的其他數(shù)據(jù)。這就會(huì)經(jīng)常觸發(fā)服務(wù)器的接受延時(shí)的確認(rèn)算法，這將導(dǎo)致剩下的數(shù)據(jù)不能在200 ms內(nèi)發(fā)送。對(duì)于高速交互的采樣系統(tǒng)而言，這將產(chǎn)生明顯的時(shí)延。host requirements rfc申明tcp必須實(shí)現(xiàn)nagle算法，但必須為用戶提供一種方法來(lái)關(guān)閉該算法在某個(gè)連接上的執(zhí)行。該算法要求tcp連接上最多只能有一個(gè)未被確認(rèn)的未完成的小分組，在該分組的確認(rèn)到達(dá)之前不能發(fā)送其他的小分組。實(shí)際使用sniffer監(jiān)聽(tīng)軟件也得到同樣的結(jié)果，在接收到下位機(jī)的數(shù)據(jù)包后，上位機(jī)延時(shí)200 ms后，發(fā)送確認(rèn)包，其傳輸速度為10 packet／s，實(shí)際網(wǎng)絡(luò)利用率不足1％。由圖3可見(jiàn)，只要提高服務(wù)器確認(rèn)發(fā)送的速度，就可以提高通信的速度。對(duì)于本系統(tǒng)采用33m的主頻(c051f單片機(jī))發(fā)送一個(gè)分組(1 024 b)和接受一個(gè)確認(rèn)分組(60 b)總用時(shí)為3～3.5 ms，關(guān)閉nagle算法后，使用sniffer監(jiān)聽(tīng)分析數(shù)據(jù)包，系統(tǒng)上位機(jī)在收到數(shù)據(jù)包后，立即發(fā)送確認(rèn)包，期間只有0.3 ms左右的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，系統(tǒng)速率提高到設(shè)定的20 ms發(fā)送一次采樣數(shù)據(jù)，即100 packet／s，系統(tǒng)利用率提高為為原來(lái)的10倍。　　然而對(duì)于有些應(yīng)用場(chǎng)合，每次采樣的數(shù)據(jù)量并不大(小于100 b)，采用關(guān)閉nagle 算法來(lái)提高傳輸率是不理想的，因?yàn)檫@樣增加了網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)姆纸M的數(shù)量，同時(shí)增大了客戶機(jī)(下位機(jī))處理這些多出來(lái)的分組的時(shí)間消耗，降低了系統(tǒng)利用率，增大了傳輸出錯(cuò)率，大幅度的減少了持續(xù)傳輸時(shí)間。實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)采用高頻單片機(jī)(100m主頻)，將數(shù)據(jù)通信速率提高到1 000 packet／s，發(fā)現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包達(dá)到5％，同時(shí)傳輸持續(xù)時(shí)間由原來(lái)的大于48 h不間斷，減少為不足2 h，系統(tǒng)利用率也只有不到2％，同時(shí)已無(wú)法繼續(xù)提高傳輸速度(由硬件條件限制)。為解決這個(gè)問(wèn)題，同過(guò)分析具體tcp通信的各環(huán)節(jié)對(duì)時(shí)間的消耗過(guò)程，尋求在已有的硬件基礎(chǔ)上，通過(guò)軟件來(lái)解決問(wèn)題。