基于ARM9和Linux的嵌入式多串口服务器设计
eeskill 2021-10-21

随着计算机网络的发展和物联网的兴起,将智能仪器接入网络已成为一种趋势,以实现数据的共享与远程管理。但是目前大多智能仪器使用的是异步串行通信接口RS-232C /485 /422,因此迫切需要一种能将异步串行通信协议转换为以太网TCP /IP 协议的协议转换器,使现有的串行通信设备方便地接入以太网,而不需要改变原有仪器设备的硬件。为此,笔者研究设计了基于ARM9微处理器和Linux 操作系统的嵌入式多串口服务器。

1 系统总体思路

采用以ARM920T 为内核的S3C2440A 微处理器运行Linux 操作系统,使用100MBase-T 网络在串行设备与远端主机之间有效地进行传输数据,这样通过串口服务器使串行设备快速接入以太网,利用以太网的TCP /IP 协议进行串口数据包的传输。嵌入式串口服务器作为以太网数据与串口数据之间交互的中间桥梁,负责数据的双向透明传送。服务器端的主要任务是在ARM 处理器中实现RS-232C /485 /422 转TCP /IP 协议网关,完成对各端口的监听和数据的双向传输,当端口有数据产生或客户端有数据请求时启动独立线程,保证实时而又不丢失地进行数据传输。基于上述要求系统必须具备: 一套对网络支持良好的嵌入式操作系统,并且可根据专用的硬件平台进行裁剪; 微处理器的运行速度与处理数据的能力优秀,外围芯片接口友好。

笔者选用Linux 作为实时操作系统,并进行移植与配置使其可以运行在以ARM9 为核心的硬件平台上。S3C2440A 自带三路串行通信口,完全能够满足多串口服务器的设计要求,但考虑到网络数据传输与串口数据传输速率不匹配,需要在硬件板卡上扩展SDRAM 和NORFLASH,另外系统还需扩展以太网控制器芯片。系统的总体设计框架如图1 所示。

2 硬件电路

系统可同时独立地与两路串行端口通信,当数据由以太网传送给串口服务器时完成数据的存储与数据格式的转换与处理,为数据传向指定的串行口做准备。当系统解包处理完成后,根据TCP /IP 协议的数据帧的帧头信息就能获得该数据包的发送目标串口,这样就完成了从以太网到串行口数据的传输; 当数据由串口设备传送到串口服务器时完成数据的分析、处理与格式转换,为数据传向以太网口做准备,当数据打包结束后将其从以太网口发送出去,这样就完成了串行口到以太网数据的传输。

2.1 S3C2440A 扩展以太网模块电路

DM9000AEP 是一款高集成度且成本较低的单片快速以太网媒体介质访问层MAC 控制器,上有通用处理器接口,10M/100M 物理层和16KbyteSRAM,低功耗、高性能IO 管脚兼容3. 3 /5. 0V 电压。DM9000AEP 合成了以太网MAC、物理层PHY 和MMU,内置AUTOMDI2X 功能10 /100MPHY,芯片可以根据处理器提供8 /16 /32bit 3 种连接方式实现以太网MAC 层和PHY 层) 的功能。

在如图2 所示的电路中, IOR#管脚接处理器的LnOE 读信号端, IOW#接处理器的LnWE 写信号端,CS#片选信号端接处理器的nGCS4 片选信号,SD0 ~ SD15 分别接处理器的数据总线,中断信号INT 接处理器的EINT18 管脚,RX +、RX -、TX + 和TX – 分别是两对差分收发信号线接带有隔离变压器的HR911105A 的RJ45 座连接,如图3 所示。访问网卡以总线形式实现,网卡的IO 基址为300H,片选信号接在了NGCS4 上,所以网卡IO 的基址为0x20000300H.由“DM9000 地址端口= 高位片选地址+ 300H + 0; DM9000 数据端口= 高位片选地址+ 300H + 4”可知,DM9000 端口的端口地址为0×20000300,DM9000 数据的端口地址为0×20000304.S3C2440 通过数据端口与地址端口并结合读/写信号线就可以对DM9000 进行读、写操作了。图2 中只用了一根地址线LADDR2,这是由DM9000AEP 的特性决定的,DM9000AEP 的地址信号和数据信号复用,使用CMD 引脚来区分它们( CMD 为低时数据总线上传输的是地址信号,CMD 为高电平时传输的是数据信号) .访问DM9000AEP 内部寄存器时,需要将CMD 置为低电平,发出地址信号; 然后将CMD置为高电平,读/写数据。另外,总数位宽16 位,两对差分接收与发送信号线,特别要注意的是:

在PCB 布线时这两对线必须走差分线,否则接收和发送数据将不稳定,模拟地与数字地也要处理好。

图2 网卡接口电路

2.2 S3C2440 串口模块电路

S3C2440 本身自带三路独立的UART 接口,在设计嵌入式串口服务器系统时,应用了S3C2440 串口模块的两路UART 接口,另外一路UART 接口做开发时的打印控制台用。这两路串行口用三线通信,采用MAX3232 作为电平转换芯片,分别配置处理器的GPH2、CPH3、CPH4 和CPG5,4 个GPIO 口为TXD0、RXD0、TXD1 和RXD1 串口收发信号线。RS-232C 接口电路如图4 所示。

3 系统软件

系统软件的设计目标: 嵌入式串口服务器能够接收来自以太网的数据流,将以太网数据流转换为串行口数据流发送给指定串口; 实现串口数据流到以太网数据流的逆过程。软件平台采用拥有完备TCP /IP 协议栈和丰富源码资源的Linux作为串口服务器的操作系统,在ARM9 上移植并裁剪Linux 系统,同时移植完善根文件系统,为应用层软件开发提供平台。应用程序软件的主要任务如图5 所示,通过Linux 系统调用接口、调用串口函数读取数据,并将数据通过socket 接口发往以太网口; 接收socket 端数据、调用串口设备函数,将数据发往指定串口。

3.1 在Linux 系统中对串口的操作

UART 的操作主要有: 数据发送、数据接收、产生中断、设置波特率、loopback 模式、红外模式和硬/软流控模式7 部分。在Linux 中,所有设备文件一般都位于“/dev”下,其中串口对应的设备为“/dev /ttySx”,在Linux 下对设备的操作方法与对文件的操作方法一样。下面就是设计中串口应用的开发步骤。

串口设置主要设置struct termios 结构体成员,具体的串口操作函数此处略去,串口操作流程如图6 所示。

3.2 Linux 网络套接字编程步骤

在Linux 中的网络编程通过socket 接口进行。socket 是一种特殊的IO 接口,也是一种文件描述符,它是一种常用的进程之间的通信机制,通过它不仅能实现本地机器上进程间的通信,而且通过网络能够在不同机器上的进程间进行通信。

嵌入式串口服务器系统网络套接字编程步骤如图7 所示。

系统上电后,嵌入式服务器进入Linux 系统并自动运行装载在其内的server 程序。作为服务器, server 程序在开始运行时就为每一个打开的串口创建recvpcwritearm 和readarmsendpc 线程,并在网络连接正常以及客户端没有执行关闭串口的操作时,每一个已打开串口对应的两个线程将不会结束,这样在系统满负荷运行时,系统将同时开启4 个线程。嵌入式串口服务器主程序流程如图8 所示,主函数实现套接字的初始化工作,建立两路监听套接字,分别初始化线程recvpcwritearmsocket[3000 + com]套接字和readarmsendpc socket[4000 + com]套接字com 为串行端口号。一旦接收到客户端的连接请求,判断客户端请求的方式后,启用相应的进程函数进行数据处理。

4 试验

4.1 数据上行测试

数据上行测试指串口设备发送信息到嵌入式串口服务器,通过嵌入式串口服务器将数据从以太网口传输出去。考虑实际使用过程中上行数据量较大,为了模拟工业现场接收大量的数据,以“1234567890abcdefghijklmnopqrstuvwsyz”构成的数据包进行模拟。

测试方法为每秒钟连续不断地发送“1234567890abcdefghijklmnopqrstuvwsyz”,使之构成100KByte 的数据包,观察客户端程序能否正常收到这个数据包。试验测试结果如图9 所示,当从“终端串口设备”向上位机发送100KByte 数据时,在客户端一侧正常收到了这些数据,并且没有丢失现象。

4.2 数据下行测试

数据下行测试指通过工控机上的以太网口发送数据给串口服务器,串口服务器接收以太网数据帧并进行格式转换,同时判断发往指定的串口设备。在实际使用过程中,上位机发送到串行终端设备的数据量较小,这些数据一般都是由操作人员输入的数据,因此可以用单个数据流“1234567890abcDefghijklmnopqrstuvwxyz”进行测试。

测试方法是利用运行在PC 机上的客户端程序每秒钟发送连续数据流,观察另一台PC 机上串口调试助手是否正常接收到数据。试验测试结果如图10 所示,当客户端程序发送数据时,在终端串口设备上得到同样的数据流。

5 结束语

笔者利用完全开源的Linux 操作系统,将其移植、裁剪后设计嵌入式串口服务器系统,选用非常适用于通信产品中的ARM9 内核的S3C2440A 微处理器和DM9000AEP 芯片扩展了100MByte 自适应以太网口,完成了硬件平台设计; 然后用多线程网络套接字编写串口服务器程序,完成多串口服务器的软件设计。最后用试验证实了多串口服务器能够很好地完成串口数据与以太网口数据的双向传输,成功地将现有的串行通信设备接入以太网,利用网络实现数据的远程传输与远程监控功能,实时监控设备的运行状态。降低了设备的维修费用,缩短了开发周期。该产品基于开放标准设计,易于升级与维护,具有广阔的应用前景

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