嵌入式串口網(wǎng)關(guān)設計總犯愁？RS232讓你無(wú)煩憂(yōu)

引 言

Internet 技術(shù)的廣泛普及，全球各個(gè)領(lǐng)域的不同企業(yè)已經(jīng)對“讓設備聯(lián)網(wǎng)”達成共識，而在工業(yè)控制和通信設備中，更多的卻是符合RS232 標準的串行口設備。如何將多個(gè)串行口的數據轉發(fā)到網(wǎng)絡(luò )上，實(shí)現設備的遠程控制、數據的遠程傳輸便成了一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。同時(shí)，考慮到成本問(wèn)題，以往設備又不可能全部淘汰。因此，本文提出一種嵌入式網(wǎng)關(guān)可從根本上解決這一難題。多串口轉換網(wǎng)關(guān)使得串口數據流到以太網(wǎng)數據流的傳輸成為可能。它能連接多個(gè)RS232 串口設備，并將串口數據進(jìn)行選擇和處理，把RS232 接口的數據流轉化成以太網(wǎng)數據流，這樣就可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )化的數據處理，實(shí)現串行數據的網(wǎng)絡(luò )化。采用此種方案，無(wú)需淘汰原有串口設備，多臺設備可同時(shí)入網(wǎng)，既可以提高設備利用率，又節約組網(wǎng)費用，還可在已有的網(wǎng)絡(luò )基礎上簡(jiǎn)化布線(xiàn)復雜度。采用串口擴展芯片GM8142 可實(shí)現低成本、較高速度、控制簡(jiǎn)單的多串口方案。

系統結構

TCP/IP 協(xié)議由應用層、UDP 層、IP 層和數據鏈路層組成。為了實(shí)現透明傳輸，增加應用進(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 )層構成。網(wǎng)關(guān)在串口層構建，同時(shí)解析RS232 數據包，并作為T(mén)CP/IP網(wǎng)絡(luò )應用層的數據傳輸。多串口網(wǎng)關(guān)由TCP/IP協(xié)議轉換模塊和多串口收發(fā)控制模塊組成，結構如圖1 所示。

圖1 系統結構

根據實(shí)現的功能，系統主要由以下兩部分組成：

(1)TCP/IP 協(xié)議轉換模塊：它是一個(gè)微型的以太網(wǎng)接入模塊，由微控制器、網(wǎng)絡(luò )隔離變壓器( HR601680 )、SDRAM ( HY57V561620T )、NOR-FLASH(AM29LV320DB)等組成。來(lái)自客戶(hù)端的數據信息通過(guò)RJ45 以太網(wǎng)接口，網(wǎng)路接口芯片傳送給微控制器，微控制器通過(guò)內嵌的TCP/IP協(xié)議棧，實(shí)現地址解析協(xié)議(ARP)、Internet 控制報文協(xié)議(ICMP)、IP 協(xié)議戶(hù)數據報協(xié)議(UDP)等協(xié)議的解析和封包。

在正常運行時(shí)，TCP/IP 協(xié)議轉換模塊的任務(wù)主要是將以太網(wǎng)發(fā)送緩沖區的串口幀封裝在UDP 包中，并傳給IP 層；同時(shí)，接收以太網(wǎng)數據幀并向上層層解包，分離應用層數據，然后數據的解析處理交由多串口發(fā)送模塊完成，實(shí)現RS232 串口流與以太網(wǎng)端口流的透明轉換。

(2)串口數據處理模塊：它是一個(gè)多(最多32個(gè))RS232 串口數據流的收/發(fā)控制模塊，由微控制器、串口擴展芯片(GM8142)、MAX232 等元件組成。微控制器與GM8142 共同完成對多串口數據收發(fā)的控制：一方面接收多個(gè)串口源數據，封裝后寫(xiě)入以太網(wǎng)發(fā)送緩沖區打包傳輸；同時(shí)，接收以太網(wǎng)應用層的數據，解析并從串口發(fā)出。對于串口處理模塊來(lái)說(shuō)，通信數據的具體形式并不重要，它的任務(wù)主要是接收/發(fā)送，封裝/拆封串口幀，為網(wǎng)關(guān)提供通用接口。

設計方案

微控制器是網(wǎng)關(guān)的兩大模塊的中樞，通過(guò)微控制器，網(wǎng)關(guān)實(shí)現了通信協(xié)議的轉換。

(1)TCP/IP 協(xié)議轉換模塊：圖1 微控制器的左半部分：從RJ45 接頭輸入的10 M/100M以太網(wǎng)雙差分數據信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò )隔離變壓器很好的將模擬地與數字地隔離，從而保證了數據的有效性和外界復雜信號對微控制器的直接沖擊。

(2) 串口處理模塊：如圖1 微控制器的右半部分：串口數據從32 個(gè)串行端口獨立輸入或輸出，標準串口的RS232 電平與TTL 電平通MAX232 相互轉化。值得注意的是所有低速串行接口均采用RJ45 接口，而且為了保證數據的傳輸速度，在實(shí)際應用中只使用了TXD，RXD，GND信號，避免了其它握手信號。

對于多串口的設計，采用串口擴展芯片GM8142，結合強大的SPI性能，完成了32 個(gè)獨立于系統固有串口(DB9 接口) 的擴展。每片GM8142 能提供4 個(gè)獨立的串行口，該網(wǎng)關(guān)設計中采用8 片GM8142，每片GM8142 的片選信號又通過(guò)3-8 譯碼器74LV138 連接到微控制器的3個(gè)獨立的SPI 接口上，另外，每片GM8142 所必需的中斷信號通過(guò)強上拉(4.7K)連接到微控制器的標準IO上，這樣，串口處理模塊搭建完成。

當兩片或多片GM8142 所管理的串口同時(shí)產(chǎn)生數據請求時(shí)，微控制器會(huì )根據事先設定好的MCU中斷機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。當同一片GM8142 的不同串行口同時(shí)產(chǎn)生中斷請求時(shí)，在LINUX下，通過(guò)對該字符設備驅動(dòng)程序的編寫(xiě)，可使微控制器在SPI 上得到相應端口的編號并及時(shí)清除中斷，然后，再次根據用戶(hù)事先設定好的中斷優(yōu)先級處理中斷。這樣，所有的擴展串行接口均能按用戶(hù)事先設定好的中斷優(yōu)先級完成對串口的控制。

系統的32 個(gè)擴展串口均能工作在獨立波特率的獨立場(chǎng)合，在速率上，它們均能單獨穩定運行在115200BPS以?xún)鹊娜魏尾ㄌ芈噬?，但?2 個(gè)串口同時(shí)雙向并且以115200BPS 的速率運行時(shí)應考慮MCU 的處理能力。綜上所述，系統提供了32 個(gè)串口、可自定義優(yōu)先級控制、波特率配置方案的多串口實(shí)現方法。