實現(xiàn)基于TCP／IP的多串口轉(zhuǎn)換網(wǎng)關

隨著企業(yè)規(guī)模的擴大和Internet技術(shù)的廣泛普及，全球各個領域的不同企業(yè)已經(jīng)對“讓設備聯(lián)網(wǎng)”達成共識，而在工業(yè)控制和通信設備中，更多的卻是符合RS232標準的串行口設備。如何將多個串行口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡上，實現(xiàn)設備的遠程控制、數(shù)據(jù)的遠程傳輸便成了一個亟待解決的問題。同時，考慮到成本問題，以往設備又不可能全部淘汰，因此，本文提出一種基于TCP／IP的多串口轉(zhuǎn)換網(wǎng)關，可從根本上解決這一難題。

多串口轉(zhuǎn)換網(wǎng)關使得串口數(shù)據(jù)流到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流的傳輸成為可能。它能連接多個RS232串口設備，并將串口數(shù)據(jù)進行選擇和處理，把RS232接口的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流，這樣就可以進行網(wǎng)絡化的數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡化。采用此種方案，無需淘汰原有串口設備，多臺設備可同時入網(wǎng)，既可以提高設備利用率，又節(jié)約組網(wǎng)費用，還可在已有的網(wǎng)絡基礎上簡化布線復雜度。采用串口擴展芯片GM8123可實現(xiàn)低成本、較高速度、控制簡單的多串口方案。

1  系統(tǒng)應用方案

在企業(yè)自動化系統(tǒng)中，上層企業(yè)管理層和生產(chǎn)監(jiān)控層一般都采用以太網(wǎng)和PC機，而下層車間現(xiàn)場多是RS232串口的測控設備。本文提出的多串口轉(zhuǎn)換網(wǎng)關，能夠方便實現(xiàn)上下兩層的溝通。

可連接多臺串口設備是本系統(tǒng)最大的特點，避免了為每臺設備配置一個網(wǎng)關帶來的成本較高、組網(wǎng)復雜的弊端。

2  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

TCP／IP協(xié)議由應用層、UDP層、IP層和數(shù)據(jù)鏈路層組成。為了實現(xiàn)透明傳輸，增加應用進程協(xié)議層——串口層。串口層由串口鏈路層和串口網(wǎng)絡層構(gòu)成。網(wǎng)關在串口層構(gòu)建，同時解析RS232數(shù)據(jù)包，并作為TCP／IP網(wǎng)絡應用層的數(shù)據(jù)傳輸。多串口網(wǎng)關由TCP／IP協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和多串口收發(fā)控制模塊組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(1)TCP／lP協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊

它是一個微型的以太網(wǎng)接入模塊，由微控制器(MCU)、網(wǎng)卡接口芯片、EEPROM 93C46、片外512 KBSRAM芯片IS6lLV5128以及輔助元件構(gòu)成。微控制器控制網(wǎng)卡接口芯片進行網(wǎng)絡通信，實現(xiàn)地址解析協(xié)議(ARP)、Internet控制報文協(xié)議(ICMP)、IP協(xié)議、用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)等協(xié)議的解析和封包。將以太網(wǎng)發(fā)送緩沖區(qū)的串口幀封裝在UDP包中，并傳給IP層；同時，接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀并向上層層解包，分離應用層數(shù)據(jù)，然后數(shù)據(jù)的解析處理交由多串口發(fā)送模塊完成，實現(xiàn)RS232串口流與以太網(wǎng)端口流的透明轉(zhuǎn)換。

(2)多串口收發(fā)控制模塊

實現(xiàn)多個RS232串口數(shù)據(jù)流的收／發(fā)控制，包括微控制器、串口擴展芯片(GM8123)、MAX232等元件。微控制器控制GM8123完成多串口數(shù)據(jù)收發(fā)，接收多個串口源數(shù)據(jù)，封裝后寫入以太網(wǎng)發(fā)送緩沖區(qū)打包傳輸；同時，接收以太網(wǎng)應用層的數(shù)據(jù)，解析并發(fā)送給測控設備。它不關心通信數(shù)據(jù)的具體意義，只負責接收／發(fā)送，封裝／拆封串口幀，提供通用接口。

3  多串口實現(xiàn)
 

3.1  實現(xiàn)方案——采用串口擴展芯片

在微控制器中有2個UART的基礎上，采用GM8123，系統(tǒng)能提供2組(UARTO、UARTl)共4個串行口(COM1、COM2、C0M3、COM4)，利用兩級優(yōu)先級控制UARTO和UARTl的中斷請求且允許嵌套。在UARTO的中斷例程內(nèi)部，通過查詢方式確定數(shù)據(jù)源是哪個子串口。

當兩組串口同時有數(shù)據(jù)請求時，首先，MCU的中斷機制判斷中斷請求的優(yōu)先級，對優(yōu)先級高的中斷請求優(yōu)先響應。系統(tǒng)對優(yōu)先級分配：UART0為2，UARTl為1，即MCU優(yōu)先響應UART0的中斷請求。當UARTO的3個子口同時有數(shù)據(jù)請求時，通過輪詢方式，對各個子口予以響應，即按照子口號的地址由小到大進行響應。這樣，就形成了2級中斷和4個串口的多串口實現(xiàn)方案。

3.2  多串口擴展芯片——GM8123

GM8123可將一個全雙工的標準串口擴展成3個標準串口，并能通過外部引腳控制。選用該芯片是基于它的自身特點：

①采用寫控制字的方式對芯片進行控制，控制簡單；

②數(shù)據(jù)格式10位或11位可選；

③擁有3個子串口．且各子串口波特率可調(diào)(統(tǒng)一調(diào)節(jié))；

④兩種模式(單道模式和多道模式)可通過1根引腳控制；

⑤在多通道工作模式下，各子串口的波特率等于母串口波特率的4分頻；

⑥在多通道工作模式下，接收時地址線SRADD1～0向MCU返回接收子通道的地址，MCU接收到母串口送來的數(shù)據(jù)后，就可根據(jù)SRADDl～0狀態(tài)判斷數(shù)據(jù)是從哪一個子串口送來的，發(fā)送時先由MCU選擇子串口再向母串口發(fā)送數(shù)據(jù)；

⑦與標準串口通信格式兼容，TTL電平輸出；

⑧每位采樣16次，提高數(shù)據(jù)正確性；

⑨寬工作電壓為2．3～6．7 V。

⑩輸入地址引腳有50～80 kΩ下拉電阻，其他輸入

引腳有50～80 kΩ上拉電阻(OSCI除外)。

3.3各串口的特點及應用分析

 系統(tǒng)中兩組串口利用的資源不同，在速率上它們之間存在差異。串口COMl、COM2和COM3通過GM8123擴展微控制器的UARTO得到，適合傳輸速率較慢、數(shù)據(jù)量小的設備；COM4是微控制器的UARTl，相對于第一組串口能很好的適應傳輸速率較快的設備。
 

GM8123工作在多道模式，各子串口必須設置統(tǒng)一波特率，不適用于各串口設備工作波特率不一致、又要求同時工作的場合，這也是該芯片的不足之處。實際應用中，COM1、COM2和COM3應該連接類型、速率相同的設備。COM4的波特率可以根據(jù)需求具體配置，這樣，系統(tǒng)的4個串口從速率上可以形成兩種應用方案：一是4個串口配置相同波特率；二是每l組配置1個波特率值。
 

綜上所述，系統(tǒng)提供了由2組4個串口、兩級優(yōu)先級控制、2種波特率配置方案構(gòu)成的多串口實現(xiàn)方法。

4  工作原理

4.1  幀的統(tǒng)一化 

系統(tǒng)4個串口源的數(shù)據(jù)要作為以太網(wǎng)幀的一部分，為了向設備提供透明的接口和區(qū)分數(shù)據(jù)源，需要制定統(tǒng)一的幀格式。幀格式如圖2所示，其中串口號字段用來區(qū)分數(shù)據(jù)源；幀頭、幀尾作為一個串口幀的起始分界(可自定義)；數(shù)據(jù)部分是來自串口的原始數(shù)據(jù)流。同樣，網(wǎng)口發(fā)送數(shù)據(jù)也要有一致的幀格式，如圖3所示。顯然，串口幀是作為UDP層的協(xié)議數(shù)據(jù)進行傳輸?shù)摹?/P>

 4．2系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向分析

多串口轉(zhuǎn)換網(wǎng)關，實現(xiàn)多個串口和一個網(wǎng)口間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，關鍵是多個串口數(shù)據(jù)如何送到網(wǎng)絡上、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)又怎樣轉(zhuǎn)到多個串口。其中，串口鏈路層完成串口數(shù)據(jù)收發(fā)功能，串口網(wǎng)絡層作為TCP／IP應用層的一部分，實現(xiàn)串口幀的封裝。發(fā)送是入?yún)f(xié)議棧的過程，如圖4所示，接收是出協(xié)議棧的過程(圖略)，不同之處在于對數(shù)據(jù)的收／發(fā)處理。

多串口到網(wǎng)口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸：串口鏈路層，接收來自測控設備的數(shù)據(jù)，交給串口網(wǎng)絡層，該層完成串口數(shù)據(jù)幀的封裝并放入以太網(wǎng)的發(fā)送緩沖區(qū)。當系統(tǒng)規(guī)定的UDP打包時間到或已經(jīng)有4個串口數(shù)據(jù)幀時，打UDP包，并逐層下送，直到把數(shù)據(jù)送上物理介質(zhì)，完成比特流的傳輸。

為了能一次傳輸盡量多的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)長度作了嚴格定義：串口數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)段最大長度為300個字節(jié)；網(wǎng)口發(fā)送幀的數(shù)據(jù)段最多允許4個串口數(shù)據(jù)幀。同時，還要滿足具體應用對實時性的要求：對每一個串口規(guī)定一個最長響應時間。時間到時，不管是否已接收：300個字節(jié)都要對串口數(shù)據(jù)進行封裝，并放人以太網(wǎng)發(fā)送緩沖區(qū)；同時，為了避免系統(tǒng)由于等待以太網(wǎng)發(fā)送緩沖區(qū)串口幀數(shù)達到4，而造成串口數(shù)據(jù)不能實時發(fā)送，要求在一定的時間內(nèi)進行一次以太網(wǎng)通信，而不必等待4個串口幀到齊才打包傳輸。

這樣，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)容量和時間的雙重規(guī)定，能保證具體應用對實時性的要求，并能一次傳輸盡量多的數(shù)據(jù)，降低了由于時間上的“空等”造成系統(tǒng)實時性差的可能性。4個串口在串口層完成的功能是相同的，僅以COMl為例，給出串口層上數(shù)據(jù)

流，如圖5所示。

圖6說明了多串口數(shù)據(jù)幀等待打包傳輸?shù)倪^程。
 

網(wǎng)口數(shù)據(jù)到多串口的數(shù)據(jù)流向，是對以太網(wǎng)鏈路層的數(shù)據(jù)幀向上逐層解包的過程。如圖7所示，將收到的以太網(wǎng)幀，依次去掉每層的協(xié)議頭分解出應用層數(shù)據(jù)，再以0x24和OxOa為分界分離，根據(jù)串口號字段的值，將信息發(fā)送到相應的設備，完成預定的控制。

結(jié)語

本文介紹基于TCP／IP的多串口轉(zhuǎn)換網(wǎng)關，采用GM8123芯片增加了串行口數(shù)目，適合要求入網(wǎng)串口設備多的場合。借助于該多串口網(wǎng)關，可方便的實現(xiàn)串口設備和監(jiān)控層的透明數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)設備的網(wǎng)絡化控制與信息的分布式管理，必能廣泛的應用在基于以太網(wǎng)的分布式測控網(wǎng)絡中。和它類似的還有GM8125串口擴展芯片，不過GM8125是一擴五的串口擴展芯片。