基于SC28L198的多串口服務(wù)器設(shè)計(jì)

目前工業(yè)領(lǐng)域中有大量的設(shè)備不具備以太網(wǎng)接口，但這些設(shè)備都提供RS－232串口或RS－422/485串口。RS－232只能提供近距離數(shù)據(jù)傳輸，且速度不高。RS－422/485雖然能提供遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，但卻是獨(dú)立于Internet之外，不便于網(wǎng)絡(luò)管理。而以太網(wǎng)有傳輸速度快，傳輸距離遠(yuǎn)，能夠?yàn)槿魏我慌_聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)提供監(jiān)控和數(shù)據(jù)存取服務(wù)。為使傳統(tǒng)串口設(shè)備能夠方便、快捷地接入互聯(lián)網(wǎng)，筆者以ARM7處理器LM8962和串口擴(kuò)展芯片SC28L198為核心構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)（串口服務(wù)器），完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)與串行口數(shù)據(jù)之間的相互轉(zhuǎn)換。一方面，LM8962將SC28L198發(fā)送過來的串口數(shù)據(jù)打包成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，并通過自身的以太網(wǎng)控制器發(fā)往主機(jī)；另一方面，LM8962將收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)解包，分離出數(shù)據(jù)和相應(yīng)的串口設(shè)備號，然后通過SC28L198的相應(yīng)通道發(fā)往串口設(shè)備。筆者簡化了復(fù)雜的硬件電路設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、高速度的單芯片多串口擴(kuò)展方案。采用該方案，能夠?qū)⒋谠O(shè)備虛擬成計(jì)算機(jī)的一個COM接口，用戶對串口設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作無需考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹?fù)雜性。

　　1 串口服務(wù)器硬件結(jié)構(gòu)

　　該系統(tǒng)選用TI公司生產(chǎn)的ARM芯片LM8962作為主控MCU以及選用Phillips公司生產(chǎn)的芯片SC28L198作為8通道UART控制器。

　　該系統(tǒng)的主要功能是完成TCP/IP協(xié)議與串口通信協(xié)議之間的相互轉(zhuǎn)換。

　　主控制器LM8962是由LuminaryMicro公司開發(fā)的一款基于ARMCortex－M3MCU內(nèi)核的32位微處理器。該處理器支持的最大主頻為50MHz，具有嵌入式Flash和SRAM、運(yùn)動控制PWM等內(nèi)部模塊。LM8962內(nèi)部集成了以太網(wǎng)控制器，結(jié)合了Bosch控制器局域網(wǎng)技術(shù)和10/100以太網(wǎng)媒體訪問控制（MAC）以及物理（PHY）層，簡化了該系統(tǒng)以太網(wǎng)連接的硬件電路設(shè)計(jì)。該微控制器使用了兼容ARMThumb?的Thumb2指令集來減少存儲容量的需求，并以此達(dá)到降低成本的目的。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1硬件結(jié)構(gòu)圖

　　UART器件SC28L198提供了8路相互獨(dú)立的全雙工異步通道，每路UART通過同步總線接口與主機(jī)進(jìn)行通信。每個通道的接收器和發(fā)送器均具有16個字符的FIFO，最大限度地減少了接收器超時(shí)的情況，使用用戶定義的Xon/Xoff字符可實(shí)現(xiàn)自動帶內(nèi)流量控制，在喚醒模式下可進(jìn)行地址識別。SC28L198同時(shí)還包括以下功能模塊：

　　時(shí)序模塊，其中包含一個可產(chǎn)生22個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的波特率的通用波特率發(fā)生器和用來產(chǎn)生非標(biāo)準(zhǔn)波特率的2個16位計(jì)數(shù)器；I/O口控制模塊和狀態(tài)變化檢測器模塊；可仲裁24個中斷的中斷仲裁系統(tǒng)。為了降低軟件開銷，器件包含的中斷仲裁系統(tǒng)通過直接訪問或修改中斷向量的方法來報(bào)告UART中斷的情況。報(bào)告的中斷上下文包括通道編號、器件中斷類型（接收器COS等）、發(fā)送器或接收器FIFO的填充點(diǎn)。

　　2 串口擴(kuò)展電路

　　圖2描述了具有8通道的串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的電路連接框圖。串口服務(wù)器的硬件由兩個主要芯片和其他外圍電路組成。在SC28L198的管腳中，CEN、W_RN、IACKN、DACKN、IRQN、SCLK管腳控制著主機(jī)外部與內(nèi)部數(shù)據(jù)總線與SC28L198之間的數(shù)據(jù)傳輸，管腳A7～A0為SC28L198與ARM相連的地址總線，D7～D0為SC28L198與ARM傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線。

圖2電路連接框圖

波特率發(fā)生器工作在振蕩器或外部X1/CCLK時(shí)鐘輸入下，可以產(chǎn)生22個50.0～230.4k范圍內(nèi)的常用數(shù)據(jù)通信波特率。通常使用的外部晶振頻率為3.6864MHz和7.3728MHz，在7.3728MHz工作頻率下產(chǎn)生的波特率是3.6864MHz下產(chǎn)生的兩倍。每個接收器和發(fā)送器可以工作在不同的波特率下，通過向波特率選擇寄存器寫入不同的選擇代碼將產(chǎn)生不同的波特率。

　　SC28L198的系統(tǒng)時(shí)鐘（SCLK）可同時(shí)作為主機(jī)接口和其他內(nèi)部電路的基本時(shí)間基準(zhǔn)。為了確保內(nèi)部控制器的正確操作，提供的SCLK頻率必須大于X1晶體時(shí)鐘的2倍或任何外部的1X數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸入。由于LM8962芯片本身沒有提供時(shí)鐘信號輸出引腳，若由定時(shí)器中斷產(chǎn)生7.3728MHz以上頻率的方波信號將使LM8962頻繁處理中斷程序，影響程序執(zhí)行效率。當(dāng)SC28L198工作在50MHz頻率下，其中的PWM硬件模塊最高可以產(chǎn)生25MHz輸出，且不產(chǎn)生任何中斷，因此LM8962將從頻繁的查詢和處理中斷中解脫出來。

　　在該系統(tǒng)中，需根據(jù)不同的應(yīng)用場合使用RS－232收發(fā)器或RS－422/485收發(fā)器及其外圍電路。使用RS－232收發(fā)器可以進(jìn)行近距離全雙工通信，使用RS－422/485收發(fā)器能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。由于整個系統(tǒng)工作于3.3V電壓下，為了匹配TTL電平和RS－232電平或RS－422/485電平，該電路采用MAX3232芯片或MAX3485芯片。

　　LM8962內(nèi)部集成的以太網(wǎng)控制器包含一個完整的MAC模塊和PHY接口器件，簡化了硬件電路設(shè)計(jì)。該以太網(wǎng)控制器完全支持10BASE－T和100BASE－TX標(biāo)準(zhǔn)以及遵守IEEE802.3協(xié)議。整個系統(tǒng)連接以太網(wǎng)只需一個隔離變壓器，無需外接以太網(wǎng)控制芯片，簡化了硬件設(shè)計(jì)。隔離變壓器能夠隔離模塊地和數(shù)字地，從而保證SC28L198能夠遠(yuǎn)離外界的復(fù)雜信號。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　在該系統(tǒng)中，用戶可以對串口服務(wù)器的配置、狀態(tài)查詢和在計(jì)算機(jī)（客戶端）上通過以太網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)而操作該串口服務(wù)器。在客戶端上，8個SC28L198的通道被虛擬成8個COM接口。操作這些虛擬COM接口就如同操作計(jì)算機(jī)上的物理COM接口，因此用戶不必知道數(shù)據(jù)是通過以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸。實(shí)際上，用戶操作這些COM接口時(shí)，產(chǎn)生的命令和數(shù)據(jù)將被打包成一幀數(shù)據(jù)并發(fā)往處理器LM8962，然后LM8962將數(shù)據(jù)通過SC28L198的相應(yīng)通道發(fā)送到設(shè)備上。串口服務(wù)器使用ARM處理器LM8962作為嵌入式設(shè)備的核心器件，在其上運(yùn)行μC/OS－II操作系統(tǒng)來打開、關(guān)閉和管理8個串行通道的相應(yīng)進(jìn)程。因此，8個串行通道能夠同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)而不相互影響。

　　3.1μC/OS－II

　　μC/OS－II是免費(fèi)開源、專門為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它包括任務(wù)計(jì)劃、任務(wù)管理、時(shí)間管理、內(nèi)存管理、任務(wù)間的通信以及其他一些基本功能。在該系統(tǒng)中采用μC/OS－II來實(shí)現(xiàn)以下功能：

　?。?）建立一個消息隊(duì)列來存儲串口通道的消息和UDP消息；（2）控制SC28L198收發(fā)串口數(shù)據(jù)；（3）建立一個任務(wù)來管理UDP通信，并通過以太網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)；（4）建立一個任務(wù)來管理串口通道收發(fā)任務(wù)與UDP通信任務(wù)之間的通信。

　　3.2TCP/IP模塊

　　TCP/IP協(xié)議具有分層結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行打包和解包。UDP在TCP/IP的傳輸層，提供一種不可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，但UDP協(xié)議相對簡單，比起TCP協(xié)議更能夠提供實(shí)時(shí)和快速的數(shù)據(jù)傳輸。在正常的運(yùn)行過程中，該TCP/IP程序模塊能夠從數(shù)據(jù)隊(duì)列中獲取串口通信的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)打包至UDP包中，然后將UDP包發(fā)送至IP層，最后形成一幀數(shù)據(jù)。該幀數(shù)據(jù)將會通過以太網(wǎng)發(fā)送到計(jì)算機(jī)中。與此同時(shí)，該程序模塊還將從以太網(wǎng)接收到的數(shù)據(jù)解包出來，將其中的串口通道號和串口數(shù)據(jù)發(fā)送到SC28L198中去。表1描述了收發(fā)一幀數(shù)據(jù)的格式。

表1數(shù)據(jù)傳輸格式