基于ARM920T處理器實(shí)現(xiàn)RS-232C串口與以太網(wǎng)口數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)

以ARM920T為內(nèi)核的S3C2440A作為主控制器和以太網(wǎng)控制芯片DM9000AEP設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)； 構(gòu)建并移植適合嵌入式串口服務(wù)器系統(tǒng)的嵌入式Linux 操作系統(tǒng)，利用Linux完善的TCP/IP協(xié)議設(shè)計(jì)ARM端的多線程網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器程序。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)RS-232C串口與以太網(wǎng)口數(shù)據(jù)的雙向傳輸，使現(xiàn)有的智能儀器設(shè)備成功接入以太網(wǎng)。

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)的興起，將智能儀器接入網(wǎng)絡(luò)已成為一種趨勢(shì)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與遠(yuǎn)程管理。但是目前大多智能儀器使用的是異步串行通信接口RS-232C /485 /422,因此迫切需要一種能將異步串行通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)TCP /IP協(xié)議的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，使現(xiàn)有的串行通信設(shè)備方便地接入以太網(wǎng)，而不需要改變?cè)袃x器設(shè)備的硬件。為此，筆者研究設(shè)計(jì)了基于ARM9微處理器和Linux 操作系統(tǒng)的嵌入式多串口服務(wù)器。

1 系統(tǒng)總體思路

采用以ARM920T為內(nèi)核的S3C2440A微處理器運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，使用100MBase-T網(wǎng)絡(luò)在串行設(shè)備與遠(yuǎn)端主機(jī)之間有效地進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，這樣通過串口服務(wù)器使串行設(shè)備快速接入以太網(wǎng)，利用以太網(wǎng)的TCP /IP 協(xié)議進(jìn)行串口數(shù)據(jù)包的傳輸。嵌入式串口服務(wù)器作為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)與串口數(shù)據(jù)之間交互的中間橋梁，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的雙向透明傳送。服務(wù)器端的主要任務(wù)是在ARM 處理器中實(shí)現(xiàn)RS-232C /485 /422 轉(zhuǎn)TCP /IP 協(xié)議網(wǎng)關(guān)，完成對(duì)各端口的監(jiān)聽和數(shù)據(jù)的雙向傳輸，當(dāng)端口有數(shù)據(jù)產(chǎn)生或客戶端有數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)啟動(dòng)獨(dú)立線程，保證實(shí)時(shí)而又不丟失地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?；谏鲜鲆笙到y(tǒng)必須具備： 一套對(duì)網(wǎng)絡(luò)支持良好的嵌入式操作系統(tǒng)，并且可根據(jù)專用的硬件平臺(tái)進(jìn)行裁剪； 微處理器的運(yùn)行速度與處理數(shù)據(jù)的能力優(yōu)秀，外圍芯片接口友好。

筆者選用Linux作為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并進(jìn)行移植與配置使其可以運(yùn)行在以ARM9為核心的硬件平臺(tái)上。S3C2440A自帶三路串行通信口，完全能夠滿足多串口服務(wù)器的設(shè)計(jì)要求，但考慮到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸與串口數(shù)據(jù)傳輸速率不匹配，需要在硬件板卡上擴(kuò)展SDRAM 和NORFLASH,另外系統(tǒng)還需擴(kuò)展以太網(wǎng)控制器芯片。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架如圖1 所示。

2 硬件電路

系統(tǒng)可同時(shí)獨(dú)立地與兩路串行端口通信，當(dāng)數(shù)據(jù)由以太網(wǎng)傳送給串口服務(wù)器時(shí)完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換與處理，為數(shù)據(jù)傳向指定的串行口做準(zhǔn)備。當(dāng)系統(tǒng)解包處理完成后，根據(jù)TCP /IP 協(xié)議的數(shù)據(jù)幀的幀頭信息就能獲得該數(shù)據(jù)包的發(fā)送目標(biāo)串口，這樣就完成了從以太網(wǎng)到串行口數(shù)據(jù)的傳輸； 當(dāng)數(shù)據(jù)由串口設(shè)備傳送到串口服務(wù)器時(shí)完成數(shù)據(jù)的分析、處理與格式轉(zhuǎn)換，為數(shù)據(jù)傳向以太網(wǎng)口做準(zhǔn)備，當(dāng)數(shù)據(jù)打包結(jié)束后將其從以太網(wǎng)口發(fā)送出去，這樣就完成了串行口到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸。

2.1 S3C2440A 擴(kuò)展以太網(wǎng)模塊電路

DM9000AEP 是一款高集成度且成本較低的單片快速以太網(wǎng)媒體介質(zhì)訪問層MAC 控制器，上有通用處理器接口，10M/100M 物理層和16KbyteSRAM,低功耗、高性能IO 管腳兼容3. 3 /5. 0V 電壓。DM9000AEP 合成了以太網(wǎng)MAC、物理層PHY 和MMU,內(nèi)置AUTOMDI2X 功能10 /100MPHY,芯片可以根據(jù)處理器提供8 /16 /32bit 3 種連接方式實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)MAC 層和PHY 層） 的功能。

在如圖2 所示的電路中， IOR#管腳接處理器的LnOE 讀信號(hào)端， IOW#接處理器的LnWE 寫信號(hào)端，CS#片選信號(hào)端接處理器的nGCS4 片選信號(hào)，SD0 ~ SD15 分別接處理器的數(shù)據(jù)總線，中斷信號(hào)INT 接處理器的EINT18 管腳，RX +、RX -、TX + 和TX – 分別是兩對(duì)差分收發(fā)信號(hào)線接帶有隔離變壓器的HR911105A 的RJ45 座連接，如圖3 所示。訪問網(wǎng)卡以總線形式實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)卡的IO 基址為300H,片選信號(hào)接在了NGCS4 上，所以網(wǎng)卡IO 的基址為0x20000300H.由“DM9000 地址端口= 高位片選地址+ 300H + 0; DM9000 數(shù)據(jù)端口= 高位片選地址+ 300H + 4”可知，DM9000 端口的端口地址為0×20000300,DM9000 數(shù)據(jù)的端口地址為0×20000304.S3C2440 通過數(shù)據(jù)端口與地址端口并結(jié)合讀/寫信號(hào)線就可以對(duì)DM9000 進(jìn)行讀、寫操作了。圖2 中只用了一根地址線LADDR2,這是由DM9000AEP 的特性決定的，DM9000AEP 的地址信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)復(fù)用，使用CMD 引腳來區(qū)分它們（ CMD 為低時(shí)數(shù)據(jù)總線上傳輸?shù)氖堑刂沸盘?hào)，CMD 為高電平時(shí)傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)信號(hào)） .訪問DM9000AEP 內(nèi)部寄存器時(shí)，需要將CMD 置為低電平，發(fā)出地址信號(hào)； 然后將CMD置為高電平，讀/寫數(shù)據(jù)。另外，總數(shù)位寬16 位，兩對(duì)差分接收與發(fā)送信號(hào)線，特別要注意的是：

在PCB 布線時(shí)這兩對(duì)線必須走差分線，否則接收和發(fā)送數(shù)據(jù)將不穩(wěn)定，模擬地與數(shù)字地也要處理好。

圖2 網(wǎng)卡接口電路

2.2 S3C2440 串口模塊電路

S3C2440 本身自帶三路獨(dú)立的UART 接口，在設(shè)計(jì)嵌入式串口服務(wù)器系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)用了S3C2440 串口模塊的兩路UART 接口，另外一路UART 接口做開發(fā)時(shí)的打印控制臺(tái)用。這兩路串行口用三線通信，采用MAX3232 作為電平轉(zhuǎn)換芯片，分別配置處理器的GPH2、CPH3、CPH4 和CPG5,4 個(gè)GPIO 口為TXD0、RXD0、TXD1 和RXD1 串口收發(fā)信號(hào)線。RS-232C 接口電路如圖4 所示。

3 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)目標(biāo)： 嵌入式串口服務(wù)器能夠接收來自以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)流，將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為串行口數(shù)據(jù)流發(fā)送給指定串口； 實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)流到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流的逆過程。軟件平臺(tái)采用擁有完備TCP /IP 協(xié)議棧和豐富源碼資源的Linux作為串口服務(wù)器的操作系統(tǒng)，在ARM9 上移植并裁剪Linux 系統(tǒng)，同時(shí)移植完善根文件系統(tǒng)，為應(yīng)用層軟件開發(fā)提供平臺(tái)。應(yīng)用程序軟件的主要任務(wù)如圖5 所示，通過Linux 系統(tǒng)調(diào)用接口、調(diào)用串口函數(shù)讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過socket 接口發(fā)往以太網(wǎng)口； 接收socket 端數(shù)據(jù)、調(diào)用串口設(shè)備函數(shù)，將數(shù)據(jù)發(fā)往指定串口。

3.1 在Linux 系統(tǒng)中對(duì)串口的操作

UART 的操作主要有： 數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、產(chǎn)生中斷、設(shè)置波特率、loopback 模式、紅外模式和硬/軟流控模式7 部分。在Linux 中，所有設(shè)備文件一般都位于“/dev”下，其中串口對(duì)應(yīng)的設(shè)備為“/dev /ttySx”,在Linux 下對(duì)設(shè)備的操作方法與對(duì)文件的操作方法一樣。下面就是設(shè)計(jì)中串口應(yīng)用的開發(fā)步驟。

串口設(shè)置主要設(shè)置struct termios 結(jié)構(gòu)體成員，具體的串口操作函數(shù)此處略去，串口操作流程如圖6 所示。

3.2 Linux 網(wǎng)絡(luò)套接字編程步驟

在Linux 中的網(wǎng)絡(luò)編程通過socket 接口進(jìn)行。socket 是一種特殊的IO 接口，也是一種文件描述符，它是一種常用的進(jìn)程之間的通信機(jī)制，通過它不僅能實(shí)現(xiàn)本地機(jī)器上進(jìn)程間的通信，而且通過網(wǎng)絡(luò)能夠在不同機(jī)器上的進(jìn)程間進(jìn)行通信。

嵌入式串口服務(wù)器系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)套接字編程步驟如圖7 所示。

系統(tǒng)上電后，嵌入式服務(wù)器進(jìn)入Linux 系統(tǒng)并自動(dòng)運(yùn)行裝載在其內(nèi)的server 程序。作為服務(wù)器， server 程序在開始運(yùn)行時(shí)就為每一個(gè)打開的串口創(chuàng)建recvpcwritearm 和readarmsendpc 線程，并在網(wǎng)絡(luò)連接正常以及客戶端沒有執(zhí)行關(guān)閉串口的操作時(shí)，每一個(gè)已打開串口對(duì)應(yīng)的兩個(gè)線程將不會(huì)結(jié)束，這樣在系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)將同時(shí)開啟4 個(gè)線程。嵌入式串口服務(wù)器主程序流程如圖8 所示，主函數(shù)實(shí)現(xiàn)套接字的初始化工作，建立兩路監(jiān)聽套接字，分別初始化線程recvpcwritearmsocket[3000 + com]套接字和readarmsendpc socket[4000 + com]套接字com 為串行端口號(hào)。一旦接收到客戶端的連接請(qǐng)求，判斷客戶端請(qǐng)求的方式后，啟用相應(yīng)的進(jìn)程函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

4 試驗(yàn)

4.1 數(shù)據(jù)上行測(cè)試

數(shù)據(jù)上行測(cè)試指串口設(shè)備發(fā)送信息到嵌入式串口服務(wù)器，通過嵌入式串口服務(wù)器將數(shù)據(jù)從以太網(wǎng)口傳輸出去?？紤]實(shí)際使用過程中上行數(shù)據(jù)量較大，為了模擬工業(yè)現(xiàn)場接收大量的數(shù)據(jù)，以“1234567890abcdefghijklmnopqrstuvwsyz”構(gòu)成的數(shù)據(jù)包進(jìn)行模擬。

測(cè)試方法為每秒鐘連續(xù)不斷地發(fā)送“1234567890abcdefghijklmnopqrstuvwsyz”,使之構(gòu)成100KByte 的數(shù)據(jù)包，觀察客戶端程序能否正常收到這個(gè)數(shù)據(jù)包。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖9 所示，當(dāng)從“終端串口設(shè)備”向上位機(jī)發(fā)送100KByte 數(shù)據(jù)時(shí)，在客戶端一側(cè)正常收到了這些數(shù)據(jù)，并且沒有丟失現(xiàn)象。

4.2 數(shù)據(jù)下行測(cè)試

數(shù)據(jù)下行測(cè)試指通過工控機(jī)上的以太網(wǎng)口發(fā)送數(shù)據(jù)給串口服務(wù)器，串口服務(wù)器接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀并進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，同時(shí)判斷發(fā)往指定的串口設(shè)備。在實(shí)際使用過程中，上位機(jī)發(fā)送到串行終端設(shè)備的數(shù)據(jù)量較小，這些數(shù)據(jù)一般都是由操作人員輸入的數(shù)據(jù)，因此可以用單個(gè)數(shù)據(jù)流“1234567890abcDefghijklmnopqrstuvwxyz”進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試方法是利用運(yùn)行在PC 機(jī)上的客戶端程序每秒鐘發(fā)送連續(xù)數(shù)據(jù)流，觀察另一臺(tái)PC 機(jī)上串口調(diào)試助手是否正常接收到數(shù)據(jù)。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖10 所示，當(dāng)客戶端程序發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，在終端串口設(shè)備上得到同樣的數(shù)據(jù)流。

5 結(jié)束語

筆者利用完全開源的Linux 操作系統(tǒng)，將其移植、裁剪后設(shè)計(jì)嵌入式串口服務(wù)器系統(tǒng)，選用非常適用于通信產(chǎn)品中的ARM9 內(nèi)核的S3C2440A?微處理器和DM9000AEP 芯片擴(kuò)展了100MByte 自適應(yīng)以太網(wǎng)口，完成了硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)； 然后用多線程網(wǎng)絡(luò)套接字編寫串口服務(wù)器程序，完成多串口服務(wù)器的軟件設(shè)計(jì)。最后用試驗(yàn)證實(shí)了多串口服務(wù)器能夠很好地完成串口數(shù)據(jù)與以太網(wǎng)口數(shù)據(jù)的雙向傳輸，成功地將現(xiàn)有的串行通信設(shè)備接入以太網(wǎng)，利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸與遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。降低了設(shè)備的維修費(fèi)用，縮短了開發(fā)周期。該產(chǎn)品基于開放標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，易于升級(jí)與維護(hù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。