基于ARM7的串口服務器的實現(xiàn) - 全文

　　摘　要：文中提出了一種低成本、高性能的嵌入式串口服務器的硬軟件設計方案。該服務器以ARM7芯片LPC2210為核心控制器，采用RTL8019以太網(wǎng)控制器處理網(wǎng)絡數(shù)據(jù)， TL16C554異步通信組件處理串口數(shù)據(jù)。對輕便TCP/ IP協(xié)議棧LW IP在μC/OS - Ⅱ實時操作系統(tǒng)中進行了移植，并對16路串行通道設計了實時多任務方案，使串口服務器能夠以TCP/UDP模式在網(wǎng)口和串口端進行雙向232 /485通信。實驗證明本服務器能使傳輸數(shù)據(jù)實時，準確。

　　通過擴展多串口，可以在PC端遠程監(jiān)控、管理各種外設，或對外設進行系統(tǒng)升級。通常串口服務器采用ARM9 微處理器和帶TCP / IP協(xié)議棧的付費操作系統(tǒng)，而文中提出的串口服務器是通過移植LW IP協(xié)議棧到代碼開源的μC /OS - Ⅱ中實現(xiàn)，這樣不但降低成本，而且代碼的編寫更加透明、靈活。

　　1　硬件系統(tǒng)的設計

　　本串口服務器采用Philip s的ARM7 系列芯片LPC2210，網(wǎng)絡控制芯片采用RTL8019, 串口采用TL16C554芯片擴展。為得到更廣泛的應用，串口端還擴展485 接口，通過跳線選擇232 /485 方式。系統(tǒng)結構框圖，如圖1所示。

　　圖1　系統(tǒng)結構框圖

　　2　軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)

　　串口服務器軟件系統(tǒng)包括兩部分： TCP / IP協(xié)議棧的移植和實時多任務應用程序。μC /OS - Ⅱ在LPC系列ARM中的移植采用周立功公司的方案。

　　2.1　TCP / IP協(xié)議棧的移植

　　LW IP是瑞士人Adma Dumkels等開發(fā)的源代碼開放的精簡TCP / IP 協(xié)議棧。目的是在于保證TCP協(xié)議完整的情況下減少系統(tǒng)資源的需求，適合于資源較少的嵌入式系統(tǒng)應用。移植LW IP協(xié)議棧主要有兩部分代碼： (1)編寫操作系統(tǒng)模擬層相關代碼; (2) LW IP接口初始設置及網(wǎng)卡驅動。

　　2.1.1　操作系統(tǒng)模擬層相關代碼

　　操作系統(tǒng)模擬層存在的目的主要是在μC /OS - Ⅱ和LW IP之間提供一座橋梁，使LW IP能與μC /OS - Ⅱ能以相同的規(guī)范存在于一個系統(tǒng)中并能相互通信。LW IP有信號量和郵箱兩種進程通訊方式，而μC /OS - Ⅱ也提供這兩種進程通訊方式。

　　信號量用來同步任務，操作函數(shù)有sys_new_sem (建立并返回一個新信號量) , sys_ sem _ signal(指定要發(fā)送的信號量) , sys_sem_free (指定要釋放的信號量) , sys_arch_sem_wait (等待由參數(shù)sem指定的信號量并阻塞線程) , 在這些函數(shù)體中進行數(shù)據(jù)結構的初始化并加入μC /OS - Ⅱ中的相關函數(shù)便可完成。

　　郵箱用來投遞消息， LW IP允許將郵箱實現(xiàn)為一個隊列，多條消息投遞到這個郵箱。

　　μC /OS - Ⅱ提供了豐富的消息隊列函數(shù)，且μC /OS - Ⅱ和LW IP投遞到郵箱中的消息均用指針實現(xiàn)。該系統(tǒng)建立了多個郵箱，郵箱通過單向鏈表接在一起。接收消息的最大數(shù)量由消息數(shù)組決定，結構圖如圖2所示。

圖2　郵箱數(shù)據(jù)結構圖

　　郵箱建好后用指針P_Mbox指向節(jié)點1, 申請新郵箱將節(jié)點1和節(jié)點2斷開， P_Mbox指向節(jié)點1的p stNext, 以此類推。回收時P_Mbox的移動方向與申請時相反，這樣不會浪費內存且比較穩(wěn)定。由以上結構和μC /OS - Ⅱ提供的函數(shù)寫出郵箱相關函數(shù)。

　　除此之外，還需要編寫任務創(chuàng)建函數(shù)sys_thread_new和sys_arch_timeouts函數(shù)，由于每個任務都有timeouts鏈表， sys_arch _timeouts函數(shù)返回的sys_timeouts結構保存了timeouts鏈表的首地址。

　　2.1.2　LW IP初始化設置及底層驅動

　　LW IP的初始化設置包含在LW IP通信進程的入口函數(shù)中，其入口函數(shù)LwipEntry的基本結構如下：

　　Void LwipEntry ( void 3 pvArg)

　　{

　　/ /初始化LW IP, 涉及LW IP使用的內存區(qū)，PCB ( TCP /UDP)以及OS模擬層各個方面

　　__ilvInitLwip ( ) ;

　　/ /設置LW IP, 包括添加配置網(wǎng)絡接口，建立接受任務等工作

　　__ilvSetLwip ( ) ;

　　/ /在這里建立LW IP 的應用，服務器支持TCP /UDP方式，兩種方式都建立

　　}

　　底層驅動在服務器每次收發(fā)數(shù)據(jù)中都要調用，這部分代碼需要有良好的健壯性和穩(wěn)定性。整個實現(xiàn)順序，如圖3所示。

　　圖3　底層程序框架圖

　　發(fā)送主線首先是以太網(wǎng)初始化函數(shù)( 1)開始，調用鏈路層發(fā)送函數(shù)(2)并增加各層協(xié)議頭，再調用RTL8019發(fā)送函數(shù)(9)發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　接收主線除初始化以太網(wǎng)外，需調用鏈路層初始化函數(shù)(3) , ( 3)中調用( 4)初始化RTL8019。

　　收到的數(shù)據(jù)先經(jīng)過函數(shù)(8) , 然后通過信號量傳送到函數(shù)(6) , 由( 6)調用( 7)得到數(shù)據(jù)個數(shù)，最后由(5)根據(jù)以太網(wǎng)幀頭攜帶的上層協(xié)議類型判斷是交給IP協(xié)議還是ARP協(xié)議處理。

　　移植完畢，進行數(shù)據(jù)收發(fā)實驗驗證。使用TCP傳輸協(xié)議，由網(wǎng)口虛擬串口軟件VSPM通過串口調試工具收發(fā)數(shù)據(jù)，圖4是以10 ms的發(fā)送速度在自發(fā)自收程序中收發(fā)數(shù)據(jù)的截圖。

　　圖4　TCP協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸界面

　　由于COM1和COM2被PC機占用，故由網(wǎng)口虛擬出來的串口是COM3, 由圖4可看出在面向連接的TCP協(xié)議下，高速收發(fā)數(shù)據(jù)不會丟包。

　　2.2　實時多任務方案的設計

　　16個串口分別與網(wǎng)絡端口組成16 個雙向通道。為使代碼靈活、透明，程序不使用LW IP提供的SOCKET AP I。應用程序把每個雙向通道分為發(fā)送，接收，串口3個任務，加上LW IP本身需占用一個任務，共需建立49個任務。μC /OS - Ⅱ最多能建立64 個任務，其中8 個操作系統(tǒng)本身占用，剩56個能滿足要求。由VSPM軟件把網(wǎng)口模擬成16個串口，串口服務器偵聽的16 個端口分別是1 000～1 015, 如圖5所示。

　　圖5　網(wǎng)口虛擬擴展16個串口界面

　　網(wǎng)絡端和串口端的數(shù)據(jù)接收會觸發(fā)相應的中斷。每個雙向通道的3個任務各司其職，網(wǎng)口端接收數(shù)據(jù)中斷后在傳輸層協(xié)議判斷信源的端口號，交給相應的接收任務，處理完后交給串口任務把數(shù)據(jù)從相應串口發(fā)送; 串口接收數(shù)據(jù)后在中斷程序中判斷信源的通道號，把數(shù)據(jù)交給串口任務，處理完后由發(fā)送任務通過網(wǎng)口把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

　　服務器支持TCP /UDP兩種傳輸協(xié)議，下面給出一個通道的TCP傳輸流程圖， UDP部分代碼只需在相應任務中調用LW IP給的UDP函數(shù)。TCP模式下串口服務器工作在Server模式， PC機工作在Client模式，流程圖，如圖6所示。

　　圖6串口服務器單通道程序流程圖

　　3.結論

　　文中本服務器是以性能不及ARM9且不能使用L inux的ARM7為主控芯片，但兩種開源代碼μC /OS - Ⅱ實時操作系統(tǒng)和LW IP協(xié)議棧的有效結合避免了高額的軟件費用，而且能滿足通信要求。實驗證明，基于LW IP和μC /OS - Ⅱ的串口服務器不僅能實現(xiàn)雙向通信，而且傳輸數(shù)據(jù)實時、準確，符合工業(yè)應用的要求。

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