基于Linux的串口服務(wù)器設計

隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，在使用計算機進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)的同時(shí)，各種家電設備、儀器儀表以及工業(yè)生產(chǎn)中的數據采集和控制設備也在逐步地走向網(wǎng)絡(luò )化，以便共享網(wǎng)絡(luò )資源。所以，在電子設備日趨網(wǎng)絡(luò )化的今天，利用串口服務(wù)器來(lái)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )通信具有十分重要的意義。利用基于TCP/IP的串口數據流傳輸的實(shí)現來(lái)控制管理設備，無(wú)需投資大量的人力、物力即可完成對傳統設備的管理、更換或者升級。

串口服務(wù)器的功能

串口服務(wù)器是一種通信協(xié)議轉換器，它設有兩類(lèi)通信端口：一類(lèi)是標準的RS232/422/485格式的串行端口，遠程的RTU（遠程終端設備）監控模塊通過(guò)串行控制總線(xiàn)接入串口服務(wù)器的此類(lèi)端口；另一類(lèi)是以太網(wǎng)口，通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)將串口服務(wù)器接入局域網(wǎng)的交換機等設備中。

串口服務(wù)器在工作中可自動(dòng)將RS232/422/485格式的串行數據與基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)數據包進(jìn)行透明轉換。一方面，串口服務(wù)器收到來(lái)自某一串行端口的現場(chǎng)數據，將其轉換為T(mén)CP/IP格式的數據，通過(guò)以太網(wǎng)口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )上傳；另一方面，串口服務(wù)器在局域網(wǎng)中捕獲合法的數據協(xié)議包，通過(guò)解包來(lái)解析出有效的控制信息，通過(guò)監控機指定的串行端口將控制命令以串行數據的方式傳送給遠程RTU.

硬件平臺

此系統的硬件平臺如圖1所示，它是以AT91RM9200芯片構建的Multibus-CPU開(kāi)發(fā)板。MultiBus-CPU系統是基于AT91RM9200微控制器的智能化多總線(xiàn)測控系統，該系統可以建立基于Modbus-RTU總線(xiàn)協(xié)議的總線(xiàn)通信，使系統設備可以無(wú)縫地接入到基于Modbus-RTU模式的總線(xiàn)系統，以及可靠、實(shí)時(shí)并準確地完成工業(yè)現場(chǎng)的數據采集和信號輸出等功能。系統支持Modbus-RTU協(xié)議，同時(shí)，系統還支持多種總線(xiàn)通信，包括RS485總線(xiàn)，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。ARM上的Linux的主要優(yōu)勢：可擴展的完整操作系統提供了可靠的多任務(wù)環(huán)境，基于開(kāi)源模型（GPL），利用多種UNIX和開(kāi)源應用程序以及用于基于A(yíng)RM技術(shù)的多種設計（包括網(wǎng)絡(luò )和無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域）。

Modbus協(xié)議

Modbus協(xié)議是應用于電子控制器的一種通信語(yǔ)言。利用這個(gè)協(xié)議，控制器相互之間以及控制器通過(guò)網(wǎng)絡(luò )（例如以太網(wǎng)）和其他設備之間進(jìn)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，定義了怎樣將數據打包成報文幀以及如何解碼。報文幀包括一個(gè)字節的地址碼，一個(gè)字節的功能碼，數據和兩個(gè)字節的校驗碼。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(jìn)一步發(fā)展而來(lái)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(shí)現了客戶(hù)機-服務(wù)器架構的Modbus報文通信。二者的數據幀結構如圖2所示。

圖2:標準Modbus與Modbus_TCP數據幀結構對比。

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別。與Modbus RTU協(xié)議相比，Modbus TCP數據幀里已不再有CRC校驗，而這部分校驗的任務(wù)是由TCP/IP協(xié)議和以太網(wǎng)的鏈路層來(lái)完成的。另外，Modbus TCP較標準的Modbus協(xié)議還加入了一個(gè)MBAP報文頭，由它來(lái)解釋說(shuō)明Modbus的參數和功能。其他部分兩者可以互相通用。如果TCP協(xié)議轉換為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字節組成一幀，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(jìn)行發(fā)送。如果是RTU協(xié)議轉換到TCP協(xié)議的話(huà)，那么要根據實(shí)際情況組建一個(gè)MBAP頭。

獲取配置信息GetCONfigValue功能的設計與實(shí)現

在設計串口服務(wù)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(wù)器IP地址、TCP通信端口號和串口參數等，這些配置信息放在一個(gè)txt文件當中。

我們設計了一個(gè)Configinfo.txt文件，當我們需要向一個(gè)設備傳遞信息時(shí)，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(luò )進(jìn)行配置，然后再進(jìn)行相應的操作。這時(shí)，我們在其中用到了兩個(gè)自定義函數：GetConfigValue和GetCFGValue.其中GetConfigValue的功能是將Configinfo.txt中的信息配置給串口服務(wù)器，它調用GetCFGValue函數，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。

串口操作函數封裝的設計與實(shí)現

在對串口進(jìn)行相應的操作時(shí)，首先要打開(kāi)串口并配置串口的波特率、數據位、停止位和工作模式等。這些關(guān)于串口的操作都封裝在一個(gè)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。所進(jìn)行的包括以下幾種操作。

串口的打開(kāi)和關(guān)閉：打開(kāi)串口時(shí)，需要首先判斷串口的類(lèi)型，然后以一定的方式打開(kāi)串口并保存原來(lái)的串口配置信息，最后對串口進(jìn)行波特率、數據位、停止位和奇偶校驗位的設置。關(guān)閉串口時(shí)，需要將原來(lái)保存的終端信息恢復，使串口回到打開(kāi)前的狀態(tài)。

對串口進(jìn)行數據讀寫(xiě)：串口的讀寫(xiě)操作是串口服務(wù)器最基本的功能，當有數據傳送過(guò)來(lái)時(shí)，需要通過(guò)串口發(fā)送。寫(xiě)串口操作會(huì )把內存中的數據寫(xiě)入所指的文件，讀串口操作會(huì )把串口送來(lái)的數據寫(xiě)入內存中。分別用writecomport和readcomport來(lái)實(shí)現。

對串口進(jìn)行設置：需要設置波特率、數據位、停止位和奇偶校驗位。調用定義的封裝函數，來(lái)完成這些操作。串口的工作模式通過(guò)termios函數的配置來(lái)控制。

Modbus TCP/RTU相互轉換功能的實(shí)現

這一步是串口服務(wù)器設計的關(guān)鍵，其轉換重點(diǎn)在于CRC校驗和MBPA報頭的變換。在這里，定義mod2tcp函數來(lái)完成Modbus RTU到TCP格式的轉換，定義tcp2mod函數來(lái)完成Modbus TCP到RTU格式的數據轉換。例如，來(lái)自Modbus主站的TCP協(xié)議請求，經(jīng)串口服務(wù)器轉換成Modbus RTU格式，經(jīng)485口發(fā)送給從站，并將從站相應數據經(jīng)485接口送入串口服務(wù)器，轉換成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格式數據轉換程序流程（a）和Modbus TCP 到RTU格式數據轉換程序流程（b）。

由此可見(jiàn)，TCP格式字節數=RTU格式字節數-2+6,獲取的可用數據均相同，因此其程序實(shí)現就不再是難題了。

CRC校驗功能

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

CRC校驗有既定的規則，其程序實(shí)現非常簡(jiǎn)單，只需要以下幾步：CRC字節的初始化；將數據導入進(jìn)行CRC計算；返回計算出的CRC值。

串口服務(wù)器的設計與實(shí)現

此部分介紹整個(gè)程序的main（）函數，它會(huì )調用前文介紹的函數來(lái)實(shí)現串口服務(wù)器功能，故其頭文件中要包含前文所述的各函數文件。程序流程如圖6所示。

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

問(wèn)題及解決

串口服務(wù)器測試過(guò)程中，有時(shí)會(huì )出現TCP到RTU發(fā)送時(shí)數據包錯誤，不能正確地將TCP數據轉換為RTU數據。
原因在于，測試過(guò)程中，Windows下的PC終端向Linux工控板發(fā)送數據，但是Windows的實(shí)時(shí)性并不很好，不能及時(shí)地發(fā)送數據，有時(shí)會(huì )出現一次發(fā)送兩包數據給串口服務(wù)器的現象；另外，工控板中Linux下的TCP/IP協(xié)議剪裁封裝不是很完善，導致其接收處理數據的能力比較差。

當多幀數據同時(shí)到達時(shí)，串口服務(wù)器未能正確將后一幀數據發(fā)送出去，而把一幀數據分割到兩幀，導致數據幀錯誤。這就是發(fā)生上述數據完全錯誤的原因。這時(shí)，需要給串口服務(wù)器添加數據的分幀處理功能，在接收到數據時(shí)，先判斷數據幀是否是有效數據幀，確保每次發(fā)送的數據都能是完整的一幀，不會(huì )出現數據幀錯位，而導致數據的完全錯誤。

本文小結

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