基于TCP/IP的串口數(shù)據(jù)流傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

        隨著Internet的廣泛普及，“讓全部設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)”已經(jīng)成為全世界企業(yè)的共識(shí)。為了能跟上網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化的潮流，不至于失去競爭優(yōu)勢，必須建立高品位的數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)監(jiān)控、即時(shí)成本管理的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。利用基于TCP/IP的串口數(shù)據(jù)流傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)來控制管理的設(shè)備硬件，無需投資大量的人力、物力來進(jìn)行管理、更換或者升級。

        串口服務(wù)器就使得基于TCP/IP的串口數(shù)據(jù)流傳輸成為了可能，它能將多個(gè)串口設(shè)備連接并能將串口數(shù)據(jù)流進(jìn)行選擇和處理，把現(xiàn)有的RS 232接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成IP端口的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行IP化的管理，IP化的數(shù)據(jù)存取，這樣就能將傳統(tǒng)的串行數(shù)據(jù)送上流行的IP通道，而無需過早淘汰原有的設(shè)備，從而提高了現(xiàn)有設(shè)備的利用率，節(jié)約了投資，還可在既有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上簡化布線復(fù)雜度。串口服務(wù)器完成的是一個(gè)面向連接的RS 232鏈路和面向無連接以太網(wǎng)之間的通信數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)控制，系統(tǒng)對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理來自串口設(shè)備的串口數(shù)據(jù)流，并進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，使之成為可以在以太網(wǎng)中傳播的數(shù)據(jù)幀；對來自以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行判斷，并轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)送達(dá)響應(yīng)的串口設(shè)備。

        硬件系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)，是整個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

        整個(gè)串口服務(wù)器的關(guān)鍵在于串口數(shù)據(jù)包與TCP/IP數(shù)據(jù)報(bào)之間的轉(zhuǎn)換以及雙方數(shù)據(jù)因?yàn)樗俾什煌嬖诘乃俾势ヅ鋯栴}，在對串口服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)過程中，也必須著重考慮所做的設(shè)計(jì)和所選擇的器件是否能夠完成這些功能。

        1.1 硬件系統(tǒng)組成模塊

        在制定設(shè)計(jì)方案和選定器件時(shí)遇到的技術(shù)難點(diǎn)是如何利用處理器對串口數(shù)據(jù)信息進(jìn)行TCP/IP協(xié)議處理，使之變成可以在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包。目前解決這個(gè)問題很多時(shí)候采用32位MCU + RTOS方案，這種方案是采用32位高檔單片機(jī)，在RTOS（實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)）的平臺(tái)上進(jìn)行軟件開發(fā)，在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)TCP/IP的協(xié)議處理。它的缺點(diǎn)是：單片機(jī)價(jià)格較高，開發(fā)周期較長；需要購買昂貴的RTOS開發(fā)軟件，對開發(fā)人員的開發(fā)能力要求較高。

        借鑒上述方案的優(yōu)缺點(diǎn)，我們決定把串口服務(wù)器的硬件部分分為幾個(gè)模塊設(shè)計(jì)，這就是主處理模塊、串口數(shù)據(jù)處理模塊和以太網(wǎng)接口及控制模塊等幾大模塊來共同完成串口服務(wù)器的功能。

        在器件的選擇上，選用Intel公司的801086芯片作為主處理模塊的處理器芯片，它是一種非常適合于嵌入式應(yīng)用的高性能、高集成度的16位微處理器，功耗低。

 

        由于考慮到串口數(shù)據(jù)速率較低而以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率高所造成的兩邊速率不匹配的問題，我們決定采用符合總線規(guī)范的大容量存儲(chǔ)器來作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；由于主處理模塊還涉及到數(shù)據(jù)線/地址線復(fù)用、串并轉(zhuǎn)換、器件中斷信號(hào)譯碼、時(shí)鐘信號(hào)生成、控制信號(hào)接入等功能，若是選用不同的器件來完成，勢必會(huì)造成許多諸如時(shí)延不均等問題，我們選用了一片大容量的高性能可編程邏輯器件來完成上述所提到的功能，這樣的優(yōu)點(diǎn)在于，我們保證了穩(wěn)定性和高可靠性，并且可編程邏輯器件的可編程功能使得對于信號(hào)的處理的空間更大，且具有升級的優(yōu)勢。

        以太網(wǎng)接口及控制模塊在串口服務(wù)器的硬件里面起著很重要的作用，它所處理的是來自于以太網(wǎng)的IP數(shù)據(jù)包，考慮到通用性的原則，我們采用一片以太網(wǎng)控制芯片來完成這些功能，并在主處理模塊中添加了一片AT24C01來存儲(chǔ)以太網(wǎng)控制芯片狀態(tài)。通過主處理模塊對于以太網(wǎng)控制芯片數(shù)據(jù)及寄存器的讀/寫，我們可以完成對IP數(shù)據(jù)包的分析、解/壓包的工作。

        串口數(shù)據(jù)處理模塊主要完成的是對于串口數(shù)據(jù)流的電平轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)格式的處理，判斷串行數(shù)據(jù)的起始位及停止位，完成對數(shù)據(jù)和校驗(yàn)位的提取。一般的設(shè)計(jì)采用的是MAX232和一片UART的設(shè)計(jì)思想，這里我們也是遵從這種設(shè)計(jì)理念，不過我們采用的是集成了MAX232+UART功能的芯片，小尺寸、低成本、低功耗，而且采用與SPITM/QS-PITM/MICROWIRETM兼容的串行接口，節(jié)省線路板尺寸與微控制器的I/O端口。

        這種模塊化的方案的優(yōu)點(diǎn)在于：采用高速度的16位微控制器，外圍器件少，系統(tǒng)成本低；并且采用Intel公司的開發(fā)平臺(tái)，可以大幅度地縮短開發(fā)周期并降低開發(fā)成本。 {{分頁}}

        1.2 硬件工作流程及應(yīng)用架構(gòu)

        主處理器首先初始化網(wǎng)絡(luò)及串口設(shè)備，當(dāng)有數(shù)據(jù)從以太網(wǎng)傳過來，處理器對數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行分析，如果是ARP（物理地址解析）數(shù)據(jù)包，則程序轉(zhuǎn)入ARP處理程序；如果是IP數(shù)據(jù)包且傳輸層使用UDP，端口正確，則認(rèn)為數(shù)據(jù)報(bào)正確，數(shù)據(jù)解包后，將數(shù)據(jù)部分通過端口所對應(yīng)的串口輸出。反之，如果從串口收到數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)按照UDP格式打包，送入以太網(wǎng)控制芯片，由其將數(shù)據(jù)輸出到以太網(wǎng)中?？梢灾溃魈幚砟K主要處理TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，鏈路層部分由以太網(wǎng)控制芯片完成。應(yīng)用層交付軟件系統(tǒng)來處理，用戶可以根據(jù)需求對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

        2 硬件系統(tǒng)模塊

        根據(jù)硬件系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)和不同功能，我們可以將硬件系統(tǒng)劃分為下述的幾大模塊。

        2.1 主處理器模塊

        該模塊是串口服務(wù)器的核心部分，主要由主處理器、可編程邏輯器件、數(shù)據(jù)及程序存儲(chǔ)器等器件構(gòu)成。

        主處理模塊完成的功能主要有：在串口數(shù)據(jù)和以太網(wǎng)IP數(shù)據(jù)之間建立數(shù)據(jù)鏈路；通過對以太網(wǎng)控制芯片的控制讀寫來實(shí)現(xiàn)對IP數(shù)據(jù)包的接收與發(fā)送；判別串行數(shù)據(jù)流的格式，完成對串口設(shè)備的選擇以及對串行數(shù)據(jù)流格式的指定；控制串口數(shù)據(jù)流與IP數(shù)據(jù)包之間的速率控制，對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖處理；對UART和以太網(wǎng)控制芯片的寄存器進(jìn)行讀寫操作，并存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)器件狀態(tài)；完成16位總線數(shù)據(jù)的串并行轉(zhuǎn)換；完成總線地址鎖存功能；完成對各個(gè)串口以及各個(gè)存儲(chǔ)器件的片選功能；完成對各個(gè)串口的中斷口的狀態(tài)判別等功能。

        2.2 以太網(wǎng)接口及控制模塊

        這個(gè)模塊主要由以太網(wǎng)接口部分和以太網(wǎng)控制部分構(gòu)成。

        以太網(wǎng)接口部分完成的是串口服務(wù)器與以太網(wǎng)接口電路的功能，控制器對所有模塊均有控制作用，使整個(gè)接口電路能協(xié)調(diào)地配合后續(xù)電路完成以太網(wǎng)的收發(fā)功能。

        以太網(wǎng)控制部分由收端和發(fā)端組成，在他們之間還有以太網(wǎng)狀態(tài)檢測和控制單元，以及收發(fā)協(xié)調(diào)控制器，見圖5。

 

        由于以太網(wǎng)是半雙工工作的，所以這個(gè)部分必須隨時(shí)地監(jiān)視以太網(wǎng)的狀態(tài)，并且要根據(jù)需要對以太網(wǎng)進(jìn)行控制，同時(shí)還要協(xié)調(diào)好內(nèi)部收發(fā)端電路的工作狀態(tài)。以太網(wǎng)檢測單元和收發(fā)協(xié)調(diào)控制器就是完成這樣的功能的。以太網(wǎng)狀態(tài)檢測單元與以太網(wǎng)接口的控制器接口，將接口的狀態(tài)送到收發(fā)協(xié)調(diào)控制器，同時(shí)將協(xié)調(diào)控制器的控制信號(hào)進(jìn)行處理，并送到以太網(wǎng)接口的控制器，以控制接口的狀態(tài)。

        在收端，接收到的串行數(shù)據(jù)流信號(hào)通過主處理模塊進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換和編碼，以太網(wǎng)控制單元控制各部分協(xié)調(diào)，將產(chǎn)生的地址、數(shù)據(jù)、寫信號(hào)送到RAM讀寫控制單元進(jìn)行處理。相應(yīng)的，發(fā)端的工作流程和收端相反。

        2.3 串口數(shù)據(jù)處理模塊

        該模塊主要完成串口設(shè)備的狀態(tài)收集、串行數(shù)據(jù)流的接收和數(shù)據(jù)格式的解/封包工作，由8片UART和對應(yīng)的串口接口構(gòu)成。前面我們已經(jīng)說明了各個(gè)端口的尋址方式，當(dāng)主處理模塊尋址某個(gè)端口時(shí)，由主處理模塊讀寫相應(yīng)的UART的寄存器，判定相連接的串口設(shè)備的空閑狀態(tài)，并與之建立通信連接，發(fā)回控制數(shù)據(jù)幀給主處理器，主處理器收到控制信號(hào)后，再?zèng)Q定是否發(fā)送和接收數(shù)據(jù)流。

        3 硬件系統(tǒng)流程

        在串口服務(wù)器中，硬件部分與軟件部分相結(jié)合完成整個(gè)系統(tǒng)的功能，用戶通過軟件部分的可視化界面和C/S架構(gòu)的監(jiān)控模式來完成對串口設(shè)備的控制與管理；硬件部分完成串行數(shù)據(jù)與IP數(shù)據(jù)包之間的格式轉(zhuǎn)換以及控制信號(hào)的處理。

        顯示的是串口服務(wù)器硬件在系統(tǒng)流程的內(nèi)部數(shù)據(jù)流向圖。因?yàn)樵谡麄€(gè)串口服務(wù)器的系統(tǒng)中，硬件完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換以及控制信號(hào)處理等主要功能，軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)遵循一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的接口，在這個(gè)接口之上來傳遞數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)，串口服務(wù)器的狀態(tài)信息主要由中央服務(wù)器來處理和收集，由于服務(wù)器完成的只是一些狀態(tài)存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)，所以與原來的串口設(shè)備—前置機(jī)模式有很大區(qū)別，中央服務(wù)器也不需要負(fù)擔(dān)太多的工作。

        下面對串口服務(wù)器硬件的具體實(shí)現(xiàn)方案作流程說明，這樣會(huì)對串口服務(wù)器有更深的了解，限于篇幅，只對主要流程作分析和介紹。

        3.1 TCP/IP數(shù)據(jù)包傳送至串口設(shè)備

        （1）上電初始化以太網(wǎng)控制芯片，并從狀態(tài)存儲(chǔ)器中讀取狀態(tài)字寫入相應(yīng)的寄存器中；

        （2）采用中斷機(jī)制而不是輪詢機(jī)制來處理以太網(wǎng)來的數(shù)據(jù)，當(dāng)RTL8019AS接收到IP數(shù)據(jù)包時(shí)，判斷數(shù)據(jù)包格式寫相應(yīng)寄存器，并發(fā)送中斷INT0給80C186處理器，請求系統(tǒng)處理；

        （3）80C186接收到中斷，保存目前工作狀態(tài)來響應(yīng)中斷，然后判別總線空閑狀態(tài)，若忙，則置AEN高位，若空閑，則置AEN低位。同時(shí)置某些控制腳狀態(tài)，使RTL8019AS地址使能；

        （4）由于80C186的數(shù)據(jù)線AD0～AD15與地址線A0～A15共線，所以必須通過EPM7128S可編程邏輯器件地址鎖存，80C 186送出地址信號(hào)并置ALE地址鎖存使能；

        （5）80C186通過數(shù)據(jù)總線讀取RTL8019AS寄存器信息，判別RTL8019AS的目前狀態(tài)； {{分頁}}

        （6）通過AD0～AD15讀取數(shù)據(jù)包，置A19為1，使能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器緩存；

        （7）獲取IP數(shù)據(jù)包目的端口號(hào)，用以確定選通的相應(yīng)器件，在這里我們認(rèn)定端口號(hào)選擇的是某MAX3110E，并對應(yīng)相應(yīng)的端口地址；

        （8）置A19為0，通過A18～A16送出端口地址信號(hào)，選通該片MAX3110E，在這里我們先假設(shè)該片MAX3110E空閑；

        （9）選通之后，先送出10000010

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