實(shí)現(xiàn)基于TCP／IP的多串口轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)

隨著企業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大和Internet技術(shù)的廣泛普及，全球各個(gè)領(lǐng)域的不同企業(yè)已經(jīng)對(duì)“讓設(shè)備聯(lián)網(wǎng)”達(dá)成共識(shí)，而在工業(yè)控制和通信設(shè)備中，更多的卻是符合RS232標(biāo)準(zhǔn)的串行口設(shè)備。如何將多個(gè)串行口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸便成了一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。同時(shí)，考慮到成本問(wèn)題，以往設(shè)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(guān)，可從根本上解決這一難題。

多串口轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)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(gè)RS232串口設(shè)備，并將串口數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化。采用此種方案，無(wú)需淘汰原有串口設(shè)備，多臺(tái)設(shè)備可同時(shí)入網(wǎng)，既可以提高設(shè)備利用率，又節(jié)約組網(wǎng)費(fèi)用，還可在已有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化布線復(fù)雜度。采用串口擴(kuò)展芯片GM8123可實(shí)現(xiàn)低成本、較高速度、控制簡(jiǎn)單的多串口方案。

1  系統(tǒng)應(yīng)用方案

在企業(yè)自動(dòng)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(jī)，而下層車間現(xiàn)場(chǎng)多是RS232串口的測(cè)控設(shè)備。本文提出的多串口轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，能夠方便實(shí)現(xiàn)上下兩層的溝通。

可連接多臺(tái)串口設(shè)備是本系統(tǒng)最大的特點(diǎn)，避免了為每臺(tái)設(shè)備配置一個(gè)網(wǎng)關(guān)帶來(lái)的成本較高、組網(wǎng)復(fù)雜的弊端。

2  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

TCP／IP協(xié)議由應(yīng)用層、UDP層、IP層和數(shù)據(jù)鏈路層組成。為了實(shí)現(xiàn)透明傳輸，增加應(yīng)用進(jìn)程協(xié)議層——串口層。串口層由串口鏈路層和串口網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)成。網(wǎng)關(guān)在串口層構(gòu)建，同時(shí)解析RS232數(shù)據(jù)包，并作為T(mén)CP／IP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)傳輸。多串口網(wǎng)關(guān)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(gè)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(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)地址解析協(xié)議(ARP)、Internet控制報(bào)文協(xié)議(ICMP)、IP協(xié)議、用戶數(shù)據(jù)報(bào)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(shí)，接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀并向上層層解包，分離應(yīng)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(shí)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(shí)現(xiàn)多個(gè)RS232串口數(shù)據(jù)流的收／發(fā)控制，包括微控制器、串口擴(kuò)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(gè)串口源數(shù)據(jù)，封裝后寫(xiě)入以太網(wǎng)發(fā)送緩沖區(qū)打包傳輸；同時(shí)，接收以太網(wǎng)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)，解析并發(fā)送給測(cè)控設(shè)備。它不關(guān)心通信數(shù)據(jù)的具體意義，只負(fù)責(zé)接收／發(fā)送，封裝／拆封串口幀，提供通用接口。

3  多串口實(shí)現(xiàn)
 

3.1  實(shí)現(xiàn)方案——采用串口擴(kuò)展芯片

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

當(dāng)兩組串口同時(shí)有數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，首先，MCU的中斷機(jī)制判斷中斷請(qǐng)求的優(yōu)先級(jí)，對(duì)優(yōu)先級(jí)高的中斷請(qǐng)求優(yōu)先響應(yīng)。系統(tǒng)對(duì)優(yōu)先級(jí)分配：UART0為2，UARTl為1，即MCU優(yōu)先響應(yīng)UART0的中斷請(qǐng)求。當(dāng)UARTO的3個(gè)子口同時(shí)有數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，通過(guò)輪詢方式，對(duì)各個(gè)子口予以響應(yīng)，即按照子口號(hào)的地址由小到大進(jìn)行響應(yīng)。這樣，就形成了2級(jí)中斷和4個(gè)串口的多串口實(shí)現(xiàn)方案。

3.2  多串口擴(kuò)展芯片——GM8123

GM8123可將一個(gè)全雙工的標(biāo)準(zhǔn)串口擴(kuò)展成3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串口，并能通過(guò)外部引腳控制。選用該芯片是基于它的自身特點(diǎn)：

①采用寫(xiě)控制字的方式對(duì)芯片進(jìn)行控制，控制簡(jiǎn)單；

②數(shù)據(jù)格式10位或11位可選；

③擁有3個(gè)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(guò)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(shí)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(lái)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(gè)子串口送來(lái)的，發(fā)送時(shí)先由MCU選擇子串口再向母串口發(fā)送數(shù)據(jù)；

⑦與標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)及應(yīng)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(guò)GM8123擴(kuò)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(shè)備；COM4是微控制器的UARTl，相對(duì)于第一組串口能很好的適應(yīng)傳輸速率較快的設(shè)備。
 

GM8123工作在多道模式，各子串口必須設(shè)置統(tǒng)一波特率，不適用于各串口設(shè)備工作波特率不一致、又要求同時(shí)工作的場(chǎng)合，這也是該芯片的不足之處。實(shí)際應(yīng)用中，COM1、COM2和COM3應(yīng)該連接類型、速率相同的設(shè)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(gè)串口從速率上可以形成兩種應(yīng)用方案：一是4個(gè)串口配置相同波特率；二是每l組配置1個(gè)波特率值。
 

綜上所述，系統(tǒng)提供了由2組4個(gè)串口、兩級(jí)優(yōu)先級(jí)控制、2種波特率配置方案構(gòu)成的多串口實(shí)現(xiàn)方法。

4  工作原理

4.1  幀的統(tǒng)一化 

系統(tǒng)4個(gè)串口源的數(shù)據(jù)要作為以太網(wǎng)幀的一部分，為了向設(shè)備提供透明的接口和區(qū)分?jǐn)?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(hào)字段用來(lái)區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)源；幀頭、幀尾作為一個(gè)串口幀的起始分界(可自定義)；數(shù)據(jù)部分是來(lái)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(jìn)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(guān)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)串口和一個(gè)網(wǎng)口間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，關(guān)鍵是多個(gè)串口數(shù)據(jù)如何送到網(wǎng)絡(luò)上、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)又怎樣轉(zhuǎn)到多個(gè)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(luò)層作為T(mén)CP／IP應(yīng)用層的一部分，實(shí)現(xiàn)串口幀的封裝。發(fā)送是入?yún)f(xié)議棧的過(guò)程，如圖4所示，接收是出協(xié)議棧的過(guò)程(圖略)，不同之處在于對(duì)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(lái)自測(cè)控設(shè)備的數(shù)據(jù)，交給串口網(wǎng)絡(luò)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(dāng)系統(tǒng)規(guī)定的UDP打包時(shí)間到或已經(jīng)有4個(gè)串口數(shù)據(jù)幀時(shí)，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(duì)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度作了嚴(yán)格定義：串口數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)段最大長(zhǎng)度為300個(gè)字節(jié)；網(wǎng)口發(fā)送幀的數(shù)據(jù)段最多允許4個(gè)串口數(shù)據(jù)幀。同時(shí)，還要滿足具體應(yīng)用對(duì)實(shí)時(shí)性的要求：對(duì)每一個(gè)串口規(guī)定一個(gè)最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間。時(shí)間到時(shí)，不管是否已接收：300個(gè)字節(jié)都要對(duì)串口數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，并放人以太網(wǎng)發(fā)送緩沖區(qū)；同時(shí)，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(dá)到4，而造成串口數(shù)據(jù)不能實(shí)時(shí)發(fā)送，要求在一定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行一次以太網(wǎng)通信，而不必等待4個(gè)串口幀到齊才打包傳輸。

這樣，系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)容量和時(shí)間的雙重規(guī)定，能保證具體應(yīng)用對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，并能一次傳輸盡量多的數(shù)據(jù)，降低了由于時(shí)間上的“空等”造成系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差的可能性。4個(gè)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(shuō)明了多串口數(shù)據(jù)幀等待打包傳輸?shù)倪^(guò)程。
 

網(wǎng)口數(shù)據(jù)到多串口的數(shù)據(jù)流向，是對(duì)以太網(wǎng)鏈路層的數(shù)據(jù)幀向上逐層解包的過(guò)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(yīng)用層數(shù)據(jù)，再以0x24和OxOa為分界分離，根據(jù)串口號(hào)字段的值，將信息發(fā)送到相應(yīng)的設(shè)備，完成預(yù)定的控制。

結(jié)語(yǔ)

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