實現(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，全國各個領(lǐng)域的不同企業(yè)已經(jīng)對"上設(shè)備聯(lián)網(wǎng)"達(dá)到共識，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)的串口設(shè)備，如何將多個串行口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)上，實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸便成了一個亟待解決的問題，同時，考慮到成本問題，以往設(shè)備又不安可能全部淘汰，因此，本文提出了一種基于tcp/ip的多串口轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，可以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rs232串口設(shè)備，并串口數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇和處理，把rs323借口子數(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，實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化，采用此種方案，無需淘汰原有串口設(shè)備，多臺設(shè)備可同時入網(wǎng)，既可以提高設(shè)備利用率，又節(jié)約組網(wǎng)費(fèi)用，還可以在已有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上簡化布線復(fù)雜度，采用串口擴(kuò)展芯片gm8123可實現(xiàn)低成本、較高速度、控制簡單的多串口方案。
1 系統(tǒng)應(yīng)用方案
在企業(yè)自動化系統(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)場多是cs232串口的測控設(shè)備，本文提出的多串口轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，能夠方便實現(xiàn)上下兩層的溝道。
可連接多臺串口設(shè)備是本系統(tǒng)最大的特點(diǎn)，避免了為每臺設(shè)備配置一個網(wǎng)關(guān)帶來的成本高、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，同時解析rs232數(shù)據(jù)包，并作為tcp/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/ip協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊

它是一個模型的以太網(wǎng)接入模塊，由微控制器（mcu）、網(wǎng)卡接口芯片，eeprom 93c46、片外512kb sram芯片is61lv5128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，實現(xiàn)地址解析協(xié)議（arp）、internet控制報文協(xié)議（icmp）、ip協(xié)議、用戶數(shù)據(jù)報協(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)的串口幀裝在udp包中，并傳給ip層；同時，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

實現(xiàn)多個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（gm1823），max232等元件，微控制器控制gm8123完成多串口數(shù)據(jù)收發(fā)，接收多個串口源數(shù)據(jù)，封裝后寫入以太網(wǎng)發(fā)送緩沖區(qū)打包傳輸；同時，接收以太網(wǎng)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)，解析并發(fā)送給測控設(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 多串口實現(xiàn)

3.1 實現(xiàn)方案--采用串口擴(kuò)展芯片

在微控制器中有2個uart的基礎(chǔ)上，采用gm8123，系統(tǒng)能提供2組（uart0，uart1）共4個串行口（com1，com2，com3，com4）利用兩級優(yōu)先級控制uart0和uart1的中斷請求且允許嵌套。在uart0的中斷例程內(nèi)部，通過查詢方式確定數(shù)據(jù)源是哪個子串口。

當(dāng)兩組串口同時有數(shù)據(jù)請求時，首先，mcu的中斷機(jī)制判斷中斷請求的優(yōu)先級，對優(yōu)先級高的中斷請求優(yōu)先響應(yīng)。系統(tǒng)對優(yōu)先級分配：uart0為2，uart1為1，即mcu優(yōu)先響應(yīng)uart0的中斷請求。當(dāng)uart0的3個子口同時有數(shù)據(jù)請求時，通過輪詢方式，對各個子口予以響應(yīng)，即按照子口號的地址由小到大進(jìn)行響應(yīng)。這樣，就形成了2級中斷和4個串口的多串口實現(xiàn)方案。

3.2 多串口擴(kuò)展芯片--gm8123

gm8123可將一個全雙工的標(biāo)準(zhǔn)串口擴(kuò)展成3個標(biāo)準(zhǔn)串口，并能通過外部引腳控制，選用該芯片是基于它的自身特點(diǎn)：

（1）采用寫控制字的方式對芯片進(jìn)行控制，控制簡單；
（2）數(shù)據(jù)格式10位或11位可選；
（3）擁有3個子串口，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）在多通道的工作模式下，接收時地址線sradd1－0向mcu返回接收子通道的地址，mcu接收到母串口送來的數(shù)據(jù)后，就可根據(jù)sradd1－0狀態(tài)判斷數(shù)據(jù)是哪一個子串口送來的，發(fā)送時先由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2.3－6.7v。
（10）輸入地址引腳有50－80kω下拉電阻，其他輸入引腳有50－80kω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com1，com2和com3通過gm8123擴(kuò)展微控制器的uart0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uart1，相對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，不使用于各串口設(shè)備工作波特率不一致，又要求同時工作的場合，這也是該芯片的不足之處，實際應(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個串口從速率上可以形成兩種應(yīng)用方案：一是4個串口配置相同波特率；二是每1組配置1個波特率值。

綜上所述，系統(tǒng)提供了由2組4個串口、兩級優(yōu)先級控制，2種波特率配置方案構(gòu)成的多串口實現(xiàn)方法。

4 工作原理

4.1 幀的統(tǒng)一化

系統(tǒng)4個串口源的數(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，其中串口號字段用來區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)源；幀頭、幀尾作為一個串口幀的起始分界（可自定義）；數(shù)據(jù)部分是來自串口的原始數(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?br>

4.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向分析

多串口轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)多個串口和一個網(wǎng)口間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，關(guān)緊是多個串口數(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tcp/ip應(yīng)用層的一部分，實現(xiàn)串口幀的封裝，發(fā)送是入?yún)f(xié)議棧的過程，如圖4所示，接收是出協(xié)議棧的過程（圖略），不同之處在于對數(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，接收來自測控設(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打包時間到或已經(jīng)有4個串口數(shù)據(jù)幀時，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)對數(shù)據(jù)長度作了嚴(yán)格定義：串口數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)段最大長度為300個字節(jié)，網(wǎng)口發(fā)送幀的數(shù)據(jù)段最多允許4個串口數(shù)據(jù)幀。同時，還有滿足具體應(yīng)用對實時性的要求，對每一個串口規(guī)定一個最長響應(yīng)時間，時間到時，不管是否已接收300個字節(jié)都要對串口數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，并放入以太網(wǎng)發(fā)送緩沖區(qū)；同時，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)不能實時發(fā)送，要求在一定的時間內(nèi)進(jìn)行一次以太網(wǎng)通信，而不必等待4個串口幀到齊才打包傳輸。

這樣系統(tǒng)對數(shù)據(jù)容量和時間的雙重規(guī)定，能夠保證具體應(yīng)用對實時性的要求，并能一次傳輸盡量多的數(shù)據(jù)，降低了由于時間上的"空等"造成系統(tǒng)實時性差的可能性，4個串口在串口層完成的功能是相同的，僅以com1為例，給出串口層上數(shù)據(jù)流，如圖5所示。

圖6說明了多串口數(shù)據(jù)幀等待打包傳輸?shù)倪^程。

網(wǎng)口數(shù)據(jù)多到多串口的數(shù)據(jù)流向，是對以太網(wǎng)鏈路層的數(shù)據(jù)幀向上逐層解包的過程，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0x0a為分界分離，根據(jù)串口號字段的值，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

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)備多的場合，借助于該多串口網(wǎng)關(guān)，可方便地實現(xiàn)串口設(shè)備和監(jiān)控層的透明數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化控制與信息的分布式管理，比能廣泛的應(yīng)用在基于以太網(wǎng)的分布式測控網(wǎng)絡(luò)中。