基于樹(shù)莓派的多串口多總線(xiàn)服務(wù)器設計

本串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器選擇樹(shù)莓派自帶的Python作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，采用小巧而靈活的web.py開(kāi)發(fā)框架提供HTTP服務(wù)，其輕量級滿(mǎn)足采集系統對數據傳輸模塊的要求，可以提高系統的使用效率，WEB服務(wù)器設計流程如圖3所示。

設備上電或系統重啟后，WEB服務(wù)自動(dòng)啟動(dòng)，并初始化WEB服務(wù)器所需顯示和配置的信息，用戶(hù)通過(guò)瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)系統指定端口進(jìn)行登錄認證即可訪(fǎng)問(wèn)參數配置頁(yè)面。其中，設備信息和網(wǎng)絡(luò )信息通過(guò)系統文件管理器進(jìn)行查看和配置，用戶(hù)信息、串口參數和工作模式信息通過(guò)數據庫進(jìn)行讀寫(xiě)，幫助信息則通過(guò)FTP服務(wù)器進(jìn)行串口服務(wù)器說(shuō)明手冊、公司服務(wù)信息等文檔下載。

3.2 WEB配置頁(yè)面設計

WEB配置頁(yè)面即WEB服務(wù)器的展示層，如圖4所示，掃描出的串口數表明該串口服務(wù)器帶有16個(gè)串口，每個(gè)串口配置相互獨立。

由于配置程序設計采取工作模式配置與串口參數配置相關(guān)聯(lián)，如果選用前3個(gè)串口，則工作模式配置中只顯示此3個(gè)串口的工作模式配置界面，如圖5所示。

以上配置方式可方便實(shí)現批量配置，配置完成后可生成配置信息查看界面，如圖6所示，該界面還可進(jìn)行選中串口的通信參數、工作模式的編輯和刪除。

3.3 串口聯(lián)網(wǎng)通信程序設計

WEB服務(wù)器完成配置工作后，即可啟動(dòng)通信程序進(jìn)行數據通信工作，具體實(shí)現流程如圖7所示。此程序在設備上電或系統重啟后自動(dòng)啟動(dòng)，讀取用戶(hù)配置的串口通信和工作模式參數后，進(jìn)入通信程序無(wú)限循環(huán)，圖中進(jìn)程數即現場(chǎng)應用所配置的串口總數。其中N為串口服務(wù)器串口數，M(M≤W)為N個(gè)串口中使用的串口數;n為各自編號，I為進(jìn)程編號;S為所配會(huì )話(huà)數，s為線(xiàn)程編號。

3種工作模式中，TCP服務(wù)器和TCP客戶(hù)端同屬TCP協(xié)議傳輸程序，其數據幀收發(fā)處理過(guò)程都采用同一種思想，下面介紹TCP、UDP協(xié)議傳輸程序和數據幀轉發(fā)程序的設計：

3.3.1 TOP協(xié)議傳輸程序設計

TCP協(xié)議傳輸程序涉及到服務(wù)器端和客戶(hù)端的設計。

服務(wù)器端程序設計：

①建立一個(gè)socket，選擇類(lèi)型INET及TCP連接方式;

②讀取配置端口進(jìn)行綁定監聽(tīng)，等待客戶(hù)端主動(dòng)連接;

③設置監聽(tīng)隊列大小;

④進(jìn)入一個(gè)無(wú)限循環(huán)，使用accept()等待客戶(hù)連接，返回的新連接對應于客戶(hù)端IP，建立通信信道;

⑤進(jìn)入無(wú)限子循環(huán)，通過(guò)sendall()及recv()進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

客戶(hù)端程序設計：

①建立一個(gè)socket，選擇類(lèi)型及連接方式同服務(wù)器端;

②讀取配置所配置遠程服務(wù)器IP及端口;

③進(jìn)入無(wú)限循環(huán)，使用connect()連接遠程服務(wù)器，若連不上，達到所配置超時(shí)間隔后再次重連;

④連接成功后進(jìn)入無(wú)限子循環(huán)，通過(guò)sendall()及recv()進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

3.3.2 UDP協(xié)議傳輸程序設計

UDP傳輸稱(chēng)為無(wú)連接傳輸，不存在TCP中的三次握手和錯誤重傳機制，其傳輸程序需同時(shí)讀取所配置的本地IP和端口、遠程IP和端口，建立數據報形式的socket后可同時(shí)作為發(fā)送端和接收端。作為發(fā)送端時(shí)，sendto()發(fā)送地址為遠程接收端IP和端口，作為接收端時(shí)公開(kāi)本地IP和端口，recvfrom()等待遠程發(fā)送端的數據到來(lái)，可以接收任何地址發(fā)送過(guò)來(lái)的數據包。

3.3.3 數據幀轉發(fā)程序設計

串口服務(wù)器功能模塊實(shí)現了串行鏈路數據與以太網(wǎng)數據轉換的功能：一方面，接收來(lái)自串行鏈路的數據幀，并將其轉化為以太網(wǎng)鏈路數據幀后發(fā)出;另一方面，接收來(lái)自以太網(wǎng)鏈路的數據幀，并將其轉化為串行鏈路數據幀后發(fā)出。以上兩個(gè)通信過(guò)程并行執行，在程序設計中采取多線(xiàn)程實(shí)現方式。

(1)網(wǎng)絡(luò )數據的接收

每種通信模式下，網(wǎng)絡(luò )數據的接收都在指定的回調函數中實(shí)現，TCP通信接收函數為recv()，而UDP通信中為recvfrom()。當數據幀長(cháng)度積累到指定的接收緩沖區大小或達到串口超時(shí)還不足指定數據幀長(cháng)度，立即調用實(shí)例化后的串口發(fā)送函數write()，即可將緩沖區中接收到的數據通過(guò)串口轉發(fā)。

(2)網(wǎng)絡(luò )數據的發(fā)送

接收串口數據時(shí)調用串口接收函數read()，當數據幀長(cháng)度達到串口接收緩沖區大小或串口超時(shí)，立即調用網(wǎng)絡(luò )發(fā)送函數把該緩沖區中的數據幀通過(guò)網(wǎng)口轉發(fā)，其中TCP通信發(fā)送函數為sendall()，而UDP通信為sendto()。

結語(yǔ)

經(jīng)全面測試合格后，目前本串口服務(wù)器已經(jīng)成功應用到工業(yè)現場(chǎng)，由此可見(jiàn)，本串口服務(wù)器支持高頻轉發(fā)、大數據幀實(shí)時(shí)轉發(fā)，可長(cháng)期、全天候穩定運行。