基于樹莓派的多串口多總線服務器設計

引言

工業(yè)控制中，各設備的信號采集和監(jiān)控只靠串口總線難以實現(xiàn)擴展，要將現(xiàn)場控制網絡和信息網絡相連，就需要解決串口通信協(xié)議和因特網通信協(xié)議的轉換問題，即把原有設備轉換為具備網絡接口的外設，這樣可以將傳統(tǒng)串行鏈路上的數(shù)據傳輸?shù)叫畔⒕W絡上，而無需更換原有設備。如此，可以提高原有設備利用率、增加多終端連接數(shù)、節(jié)約成本、簡化布線的復雜度及延長通信距離。

近年來，因信息化和物聯(lián)網發(fā)展的需要，串口服務器大量涌現(xiàn)，它們不占用主機資源，且具有終端服務器的功能。不過，設備體積龐大、價格昂貴、串口不易裁剪或擴展、傳輸大量數(shù)據幀時丟包、參數(shù)配置繁雜等問題也隨之出現(xiàn)。

本設計采用的串口服務器的核心設備——樹莓派，是一款體積小、價格便宜但功能非常強大的平臺，可通過多種通信方式接入互聯(lián)網，支持多種完整網絡協(xié)議，結合USB—hub及USB/串口轉換器使用，可保證串口服務器使用方便，并實現(xiàn)實時、準確、長時間穩(wěn)定的數(shù)據傳輸。

1 總體設計

根據當今工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據傳輸需求，應具備的技術指標和設置參數(shù)如下。

1.1 技術指標

①主控芯片：32位700 MHz的ARM1176JZF—S處理器;

②操作系統(tǒng)：Linux;

③支持協(xié)議：TCP/IP、UDP、HTTP、FTP;

④網絡接口：10/100 Mbps自適應以太網接口;

⑤串口類型：1～16個RS 232/RS485/RS422接口，1個TTL電平串口;

⑥參數(shù)配置方式：WEB瀏覽器配置;

⑦會話數(shù)：支持多連接，滿足5個以內用戶同時管理一個模塊設備;

⑧工作模式：TCP客戶端、TCP服務器、UDP廣播模式;

⑨指示燈：電源指示燈、通信指示燈;

⑩供電電壓：5 V。

1.2 設置參數(shù)

該設備選擇WEB瀏覽器設置方式，內置WEB服務器，用戶可進行IP地址、串口通信參數(shù)、工作模式等的管理和配置。以下主要介紹串口通信和工作模式參數(shù)的設置。

(1)串口通信參數(shù)

①波特率為2 400～115 200 bps;

②數(shù)據位為6/7/8/9;

③校驗位為None/Even/Odd;

④停止位為1/1.5/2;

⑤成幀長度為1～15000字節(jié);

⑥成幀間隔為30～500位。

其中，成幀長度指每一幀接收數(shù)據的長度，接收端緩沖區(qū)一旦接收到該長度的數(shù)據就轉發(fā)出去;成幀間隔就是所謂的串口超時，超時時間T(s)、成幀間隔N(位)、波特率B(b/s)的關系如下。一旦超時，不管已有數(shù)據長度是不是達到成幀長度，接收端緩沖區(qū)就將已有數(shù)據組幀轉發(fā)出去。

(2)工作模式參數(shù)

①單個串口支持會話數(shù)為1～5個，每個會話模式間相互獨立;

②TCP服務器模式為綁定端口范圍為1025～65535;

③TCP客戶端模式為需配置目標服務器IP、端口及自動重連時間，其中自動重連時間指網絡連接中斷或者服務器異常時，重新發(fā)起主動連接的時間間隔，循環(huán)自動重連直到正常連接上為止;

④UDP廣播模式為需配置本地端口、目標服務器IP和目標端口。

2 硬件設計

此串口服務器根據以上指標選用最新的樹莓派、USB—hub及北京世紀聯(lián)信公司生產的USB/四串口轉換器組合而成。

2.1 硬件結構組成

串口服務器硬件結構組成如圖1所示，樹莓派具有兩個USB接口、一個TTL串口及一個10/100 MHz自適應以太網接口。一個USB接口通過USB—hub和n(可據情況選擇，最多時n=4)個USB/串口轉換器擴展出4n個RS232/RS422/RS455串口，另一個可外接無線USB網卡，從而實現(xiàn)局域網或廣域網中有線或無線數(shù)據傳輸。

2.2 樹莓派簡介

樹莓派(Raspberry Pi)是一款基于Linux系統(tǒng)的只有一張信用卡大小的單板計算機，配備一枚博通生產的700 MHzARM架構BCM2835處理器，512 MB內存，使用SD卡當作存儲介質，操作系統(tǒng)采用開源的Linux系統(tǒng)，提供并支持Python作為主要編程語言。

2.3 USB—hub簡介

USB—hub(USB集線器)是一個將多個USB設備連接到計算機上的USB接口或另一個USB集線器上某時候，它們都來自于主板內部一個或者兩個主USB接口，而不是相互獨立的硬件。一個USB接口、一個USB集線器和若干個外圍設備可以構建一個USB網絡。本系統(tǒng)選用的USB—hub由一個USB接口擴展出4個USB接口。

2.4 USB/串口轉換器簡介

USB/串口轉換器選用北京世紀聯(lián)信LENSYS—USB2COM-4模塊。它是一種導軌安裝式串口擴展模塊，實現(xiàn)了用USB口擴展4串口的功能，可以通過USB快速擴展四個計算機串口，通過撥碼開關設定RS 232/422/485接口方式，還可以實現(xiàn)4個RS 232轉4個RS422/485的功能。通過該模塊能夠可靠、實時、便捷地完成工業(yè)現(xiàn)場RS232/485/422信號的傳輸和轉換，廣泛應用于石油天然氣、水利、電力調度、市政調度等行業(yè)。

3 軟件設計

此串口服務器軟件設計基本結構如圖2所示，客戶端只是WEB瀏覽器，軟件設計則主要體現(xiàn)為服務器端的網頁展現(xiàn)、業(yè)務邏輯和數(shù)據存儲。

WEB服務器負責串口服務器通信參數(shù)的手動配置和存儲、通信程序的手動啟停等;應用服務器負責實現(xiàn)TCP/IP網絡與串行接口設備的互通，完成TCP/IP協(xié)議格式的數(shù)據與串行數(shù)據間的相互轉換;數(shù)據庫主要包含用戶管理數(shù)據表、串口參數(shù)配置數(shù)據表、工作模式配置數(shù)據表。

下面介紹串口服務器軟件設計中3個主要任務：WEB服務器的設計、WEB配置頁面的設計和串口聯(lián)網通信程序的設計。

3.1 WEB服務器的設計

由于串口數(shù)量較多，所以在樹莓派中植入WEB服務器，由WEB服務器將用戶的請求轉換為對后臺數(shù)據的查詢或更新，并將友好的圖形界面在瀏覽器上展示給用戶，實現(xiàn)簡便統(tǒng)一的遠程通信參數(shù)配置、設備管理、用戶管理、監(jiān)控串口服務器運行狀態(tài)。