基于Linux的串口服務器設計

隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，在使用計算機進行網(wǎng)絡互聯(lián)的同時，各種家電設備、儀器儀表以及工業(yè)生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)采集和控制設備也在逐步地走向網(wǎng)絡化，以便共享網(wǎng)絡資源。所以，在電子設備日趨網(wǎng)絡化的今天，利用串口服務器來實現(xiàn)網(wǎng)絡通信具有十分重要的意義。利用基于TCP/IP的串口數(shù)據(jù)流傳輸?shù)膶崿F(xiàn)來控制管理設備，無需投資大量的人力、物力即可完成對傳統(tǒng)設備的管理、更換或者升級。

串口服務器的功能

串口服務器是一種通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器，它設有兩類通信端口：一類是標準的RS232/422/485格式的串行端口，遠程的RTU（遠程終端設備）監(jiān)控模塊通過串行控制總線接入串口服務器的此類端口；另一類是以太網(wǎng)口，通過網(wǎng)線將串口服務器接入局域網(wǎng)的交換機等設備中。

串口服務器在工作中可自動將RS232/422/485格式的串行數(shù)據(jù)與基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包進行透明轉(zhuǎn)換。一方面，串口服務器收到來自某一串行端口的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為TCP/IP格式的數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)口進行網(wǎng)絡上傳；另一方面，串口服務器在局域網(wǎng)中捕獲合法的數(shù)據(jù)協(xié)議包，通過解包來解析出有效的控制信息，通過監(jiān)控機指定的串行端口將控制命令以串行數(shù)據(jù)的方式傳送給遠程RTU.

硬件平臺

此系統(tǒng)的硬件平臺如圖1所示，它是以AT91RM9200芯片構建的Multibus-CPU開發(fā)板。MultiBus-CPU系統(tǒng)是基于AT91RM9200微控制器的智能化多總線測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以建立基于Modbus-RTU總線協(xié)議的總線通信，使系統(tǒng)設備可以無縫地接入到基于Modbus-RTU模式的總線系統(tǒng)，以及可靠、實時并準確地完成工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集和信號輸出等功能。系統(tǒng)支持Modbus-RTU協(xié)議，同時，系統(tǒng)還支持多種總線通信，包括RS485總線，工業(yè)以太網(wǎng)（UDP協(xié)議），串口RS232通信接口和USB通信接口。

圖1:CPU模塊原理圖。

軟件平臺

本設計采用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)。ARM上的Linux的主要優(yōu)勢：可擴展的完整操作系統(tǒng)提供了可靠的多任務環(huán)境，基于開源模型（GPL），利用多種UNIX和開源應用程序以及用于基于ARM技術的多種設計（包括網(wǎng)絡和無線領域）。

Modbus協(xié)議

Modbus協(xié)議是應用于電子控制器的一種通信語言。利用這個協(xié)議，控制器相互之間以及控制器通過網(wǎng)絡（例如以太網(wǎng)）和其他設備之間進行通信。

主流的Modbus協(xié)議為標準Modbus協(xié)議（Modbus RTU協(xié)議）和Modbus TCP協(xié)議。標準的Modbus通信協(xié)議定義了報文幀的每一字節(jié)，定義了怎樣將數(shù)據(jù)打包成報文幀以及如何解碼。報文幀包括一個字節(jié)的地址碼，一個字節(jié)的功能碼，數(shù)據(jù)和兩個字節(jié)的校驗碼。其中，校驗碼采用CRC校驗。

Modbus TCP協(xié)議是在標準Modbus協(xié)議的基礎上進一步發(fā)展而來的。它是將Modbus協(xié)議嵌入到底層TCP/IP協(xié)議中構成的，這樣就在TCP/IP的以太網(wǎng)上實現(xiàn)了客戶機-服務器架構的Modbus報文通信。二者的數(shù)據(jù)幀結構如圖2所示。

圖2:標準Modbus與Modbus_TCP數(shù)據(jù)幀結構對比。

分析Modbus TCP協(xié)議和RTU協(xié)議，可以非常清楚地看出兩者的主要區(qū)別。與Modbus RTU協(xié)議相比，Modbus TCP數(shù)據(jù)幀里已不再有CRC校驗，而這部分校驗的任務是由TCP/IP協(xié)議和以太網(wǎng)的鏈路層來完成的。另外，Modbus TCP較標準的Modbus協(xié)議還加入了一個MBAP報文頭，由它來解釋說明Modbus的參數(shù)和功能。其他部分兩者可以互相通用。如果TCP協(xié)議轉(zhuǎn)換為RTU協(xié)議，那么，只需要把TCP協(xié)議MBAP頭中的單元標識域和后續(xù)字節(jié)組成一幀，再加上此幀的CRC校驗就可以組成RTU協(xié)議，而在串行鏈路上進行發(fā)送。如果是RTU協(xié)議轉(zhuǎn)換到TCP協(xié)議的話，那么要根據(jù)實際情況組建一個MBAP頭。

獲取配置信息GetCONfigValue功能的設計與實現(xiàn)

在設計串口服務器之前，首先要配置相應的設備號并給設備配置相應的串口服務器IP地址、TCP通信端口號和串口參數(shù)等，這些配置信息放在一個txt文件當中。

我們設計了一個Configinfo.txt文件，當我們需要向一個設備傳遞信息時，需要首先從文件中讀取配置信息，對相應的串口及工控板的網(wǎng)絡進行配置，然后再進行相應的操作。這時，我們在其中用到了兩個自定義函數(shù)：GetConfigValue和GetCFGValue.其中GetConfigValue的功能是將Configinfo.txt中的信息配置給串口服務器，它調(diào)用GetCFGValue函數(shù)，在Configinfo.txt中尋找相應的配置信息項，并截取相應的配置信息。它們的程序框圖如圖3（a）和3（b）所示。

串口操作函數(shù)封裝的設計與實現(xiàn)

在對串口進行相應的操作時，首先要打開串口并配置串口的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和工作模式等。這些關于串口的操作都封裝在一個文件當中，以使結構清晰，方便檢查以及修改或增加更多的操作函數(shù)。所進行的包括以下幾種操作。

串口的打開和關閉：打開串口時，需要首先判斷串口的類型，然后以一定的方式打開串口并保存原來的串口配置信息，最后對串口進行波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗位的設置。關閉串口時，需要將原來保存的終端信息恢復，使串口回到打開前的狀態(tài)。

對串口進行數(shù)據(jù)讀寫：串口的讀寫操作是串口服務器最基本的功能，當有數(shù)據(jù)傳送過來時，需要通過串口發(fā)送。寫串口操作會把內(nèi)存中的數(shù)據(jù)寫入所指的文件，讀串口操作會把串口送來的數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存中。分別用writecomport和readcomport來實現(xiàn)。

對串口進行設置：需要設置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗位。調(diào)用定義的封裝函數(shù)，來完成這些操作。串口的工作模式通過termios函數(shù)的配置來控制。

Modbus TCP/RTU相互轉(zhuǎn)換功能的實現(xiàn)

這一步是串口服務器設計的關鍵，其轉(zhuǎn)換重點在于CRC校驗和MBPA報頭的變換。在這里，定義mod2tcp函數(shù)來完成Modbus RTU到TCP格式的轉(zhuǎn)換，定義tcp2mod函數(shù)來完成Modbus TCP到RTU格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。例如，來自Modbus主站的TCP協(xié)議請求，經(jīng)串口服務器轉(zhuǎn)換成Modbus RTU格式，經(jīng)485口發(fā)送給從站，并將從站相應數(shù)據(jù)經(jīng)485接口送入串口服務器，轉(zhuǎn)換成Modbus TCP格式信息返回主站（圖4）。

程序流程如圖5（a）和5（b）所示。

圖5:Modbus RTU 到TCP格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序流程（a）和Modbus TCP 到RTU格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序流程（b）。

由此可見，TCP格式字節(jié)數(shù)=RTU格式字節(jié)數(shù)-2+6,獲取的可用數(shù)據(jù)均相同，因此其程序?qū)崿F(xiàn)就不再是難題了。

CRC校驗功能

CRC即循環(huán)冗余校驗碼，它是數(shù)據(jù)通信領域中最常用的一種差錯校驗碼。RTU方式時，CRC校驗傳送的全部數(shù)據(jù)，它忽略信息中單個字符數(shù)據(jù)的奇偶校驗方法。CRC校驗的關鍵在于數(shù)據(jù)的匹配，將得到的數(shù)據(jù)如何正確的套用到CRC校驗當中是其中的關鍵。

CRC校驗有既定的規(guī)則，其程序?qū)崿F(xiàn)非常簡單，只需要以下幾步：CRC字節(jié)的初始化；將數(shù)據(jù)導入進行CRC計算；返回計算出的CRC值。

串口服務器的設計與實現(xiàn)

此部分介紹整個程序的main（）函數(shù)，它會調(diào)用前文介紹的函數(shù)來實現(xiàn)串口服務器功能，故其頭文件中要包含前文所述的各函數(shù)文件。程序流程如圖6所示。

main（）函數(shù)應用Linux C函數(shù)編程，其中應尤其注意socket的應用，socket要先建立再bind（）；在信號量中的參數(shù)要配置正確；進程的管理方面，要注意進程退出時先退出子進程，在所有進程都完成之后再關閉socket.

問題及解決

串口服務器測試過程中，有時會出現(xiàn)TCP到RTU發(fā)送時數(shù)據(jù)包錯誤，不能正確地將TCP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RTU數(shù)據(jù)。
原因在于，測試過程中，Windows下的PC終端向Linux工控板發(fā)送數(shù)據(jù)，但是Windows的實時性并不很好，不能及時地發(fā)送數(shù)據(jù)，有時會出現(xiàn)一次發(fā)送兩包數(shù)據(jù)給串口服務器的現(xiàn)象；另外，工控板中Linux下的TCP/IP協(xié)議剪裁封裝不是很完善，導致其接收處理數(shù)據(jù)的能力比較差。

當多幀數(shù)據(jù)同時到達時，串口服務器未能正確將后一幀數(shù)據(jù)發(fā)送出去，而把一幀數(shù)據(jù)分割到兩幀，導致數(shù)據(jù)幀錯誤。這就是發(fā)生上述數(shù)據(jù)完全錯誤的原因。這時，需要給串口服務器添加數(shù)據(jù)的分幀處理功能，在接收到數(shù)據(jù)時，先判斷數(shù)據(jù)幀是否是有效數(shù)據(jù)幀，確保每次發(fā)送的數(shù)據(jù)都能是完整的一幀，不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)幀錯位，而導致數(shù)據(jù)的完全錯誤。

本文小結

本文的目標是在以AT91RM9200芯片構建的Multibus-CPU開發(fā)板上實現(xiàn)串口服務器功能。該串口服務器應用Modbus相關協(xié)議，將傳統(tǒng)的以RS485/232串口通信設備接入工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)上位機和設備之間的信息交互。本串口服務器程序已經(jīng)能夠在開發(fā)板上正確運行。