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[導讀]隨著企業(yè)規(guī)模的擴大和Internet技術(shù)的廣泛普及,全球各個領(lǐng)域的不同企業(yè)已經(jīng)對“讓設(shè)備聯(lián)網(wǎng)”達成共識,而在工業(yè)控制和通信設(shè)備中,更多的卻是符合RS232標準的串行口設(shè)備。如何將多個串行口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)

隨著企業(yè)規(guī)模的擴大和Internet技術(shù)的廣泛普及,全球各個領(lǐng)域的不同企業(yè)已經(jīng)對“讓設(shè)備聯(lián)網(wǎng)”達成共識,而在工業(yè)控制和通信設(shè)備中,更多的卻是符合RS232標準的串行口設(shè)備。如何將多個串行口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)上,實現(xiàn)設(shè)備的遠程控制、數(shù)據(jù)的遠程傳輸便成了一個亟待解決的問題。同時,考慮到成本問題,以往設(shè)備又不可能全部淘汰,因此,本文提出一種基于TCPIP多串口轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān),可從根本上解決這一難題。

串口轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)使得串口數(shù)據(jù)流到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流的傳輸成為可能。它能連接多個RS232串口設(shè)備,并將串口數(shù)據(jù)進行選擇和處理,把RS232接口的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流,這樣就可以進行網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)處理,實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化。采用此種方案,無需淘汰原有串口設(shè)備,多臺設(shè)備可同時入網(wǎng),既可以提高設(shè)備利用率,又節(jié)約組網(wǎng)費用,還可在已有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上簡化布線復雜度。采用串口擴展芯片


 

(1)TCP/lP協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊

它是一個微型的以太網(wǎng)接入模塊,由微控制器(MCU)、網(wǎng)卡接口芯片、EEPROM 93C46、片外512 KBSRAM芯片IS6lLV5128以及輔助元件構(gòu)成。微控制器控制網(wǎng)卡接口芯片進行網(wǎng)絡(luò)通信,實現(xiàn)地址解析協(xié)議(ARP)、Internet控制報文協(xié)議(ICMP)、IP協(xié)議、用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)等協(xié)議的解析和封包。將以太網(wǎng)發(fā)送緩沖區(qū)的串口幀封裝在UDP包中,并傳給IP層;同時,接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀并向上層層解包,分離應(yīng)用層數(shù)據(jù),然后數(shù)據(jù)的解析處理交由多串口發(fā)送模塊完成,實現(xiàn)RS232串口流與以太網(wǎng)端口流的透明轉(zhuǎn)換。


 

(2)多串口收發(fā)控制模塊


 

實現(xiàn)多個RS232串口數(shù)據(jù)流的收/發(fā)控制,包括微控制器、串口擴展芯片(GM8123)、MAX232等元件。微控制器控制


 

當兩組串口同時有數(shù)據(jù)請求時,首先,MCU的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(yīng)。系統(tǒng)對優(yōu)先級分配:UART0為2,UARTl為1,即MCU優(yōu)先響應(yīng)UART0的中斷請求。當UARTO的3個子口同時有數(shù)據(jù)請求時,通過輪詢方式,對各個子口予以響應(yīng),即按照子口號的地址由小到大進行響應(yīng)。這樣,就形成了2級中斷和4個串口的多串口實現(xiàn)方案。


 

3.2  多串口擴展芯片——GM8123

GM8123可將一個全雙工的標準串口擴展成3個標準串口,并能通過外部引腳控制。選用該芯片是基于它的自身特點:

①采用寫控制字的方式對芯片進行控制,控制簡單;

②數(shù)據(jù)格式10位或11位可選;

③擁有3個子串口.且各子串口波特率可調(diào)(統(tǒng)一調(diào)節(jié));

④兩種模式(單道模式和多道模式)可通過1根引腳控制;

⑤在多通道工作模式下,各子串口的波特率等于母串口波特率的4分頻;

⑥在多通道工作模式下,接收時地址線SRADD1~0向MCU返回接收子通道的地址,MCU接收到母串口送來的數(shù)據(jù)后,就可根據(jù)SRADDl~0狀態(tài)判斷數(shù)據(jù)是從哪一個子串口送來的,發(fā)送時先由MCU選擇子串口再向母串口發(fā)送數(shù)據(jù);

⑦與標準串口通信格式兼容,TTL電平輸出;

⑧每位采樣16次,提高數(shù)據(jù)正確性;

⑨寬工作電壓為2.3~6.7 V。

⑩輸入地址引腳有50~80 kΩ下拉電阻,其他輸入

引腳有50~80 kΩ上拉電阻(OSCI除外)。


 

3.3各串口的特點及應(yīng)用分析


 系統(tǒng)中兩組串口利用的資源不同,在速率上它們之間存在差異。串口COMl、COM2和COM3通過GM8123擴展微控制器的UARTO得到,適合傳輸速率較慢、數(shù)據(jù)量小的設(shè)備;COM4是微控制器的UARTl,相對于第一組串口能很好的適應(yīng)傳輸速率較快的設(shè)備。
 


 

GM8123工作在多道模式,各子串口必須設(shè)置統(tǒng)一波特率,不適用于各串口設(shè)備工作波特率不一致、又要求同時工作的場合,這也是該芯片的不足之處。實際應(yīng)用中,COM1、COM2和COM3應(yīng)該連接類型、速率相同的設(shè)備。COM4的波特率可以根據(jù)需求具體配置,這樣,系統(tǒng)的4個串口從速率上可以形成兩種應(yīng)用方案:一是4個串口配置相同波特率;二是每l組配置1個波特率值。
 

綜上所述,系統(tǒng)提供了由2組4個串口、兩級優(yōu)先級控制、2種波特率配置方案構(gòu)成的多串口實現(xiàn)方法。


 

4  工作原理

4.1  幀的統(tǒng)一化 

系統(tǒng)4個串口源的數(shù)據(jù)要作為以太網(wǎng)幀的一部分,為了向設(shè)備提供透明的接口和區(qū)分數(shù)據(jù)源,需要制定統(tǒng)一的幀格式。幀格式如圖2所示,其中串口號字段用來區(qū)分數(shù)據(jù)源;幀頭、幀尾作為一個串口幀的起始分界(可自定義);數(shù)據(jù)部分是來自串口的原始數(shù)據(jù)流。同樣,網(wǎng)口發(fā)送數(shù)據(jù)也要有一致的幀格式,如圖3所示。顯然,串口幀是作為UDP層的協(xié)議數(shù)據(jù)進行傳輸?shù)摹?/p>


 4.2系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向分析

多串口轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān),實現(xiàn)多個串口和一個網(wǎng)口間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,關(guān)鍵是多個串口數(shù)據(jù)如何送到網(wǎng)絡(luò)上、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)又怎樣轉(zhuǎn)到多個串口。其中,串口鏈路層完成串口數(shù)據(jù)收發(fā)功能,串口網(wǎng)絡(luò)層作為TCP/IP應(yīng)用層的一部分,實現(xiàn)串口幀的封裝。發(fā)送是入?yún)f(xié)議棧的過程,如圖4所示,接收是出協(xié)議棧的過程(圖略),不同之處在于對數(shù)據(jù)的收/發(fā)處理。

多串口到網(wǎng)口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸:串口鏈路層,接收來自測控設(shè)備的數(shù)據(jù),交給串口網(wǎng)絡(luò)層,該層完成串口數(shù)據(jù)幀的封裝并放入以太網(wǎng)的發(fā)送緩沖區(qū)。當系統(tǒng)規(guī)定的UDP打包時間到或已經(jīng)有4個串口數(shù)據(jù)幀時,打UDP包,并逐層下送,直到把數(shù)據(jù)送上物理介質(zhì),完成比特流的傳輸。

為了能一次傳輸盡量多的數(shù)據(jù),系統(tǒng)對數(shù)據(jù)長度作了嚴格定義:串口數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)段最大長度為300個字節(jié);網(wǎng)口發(fā)送幀的數(shù)據(jù)段最多允許4個串口數(shù)據(jù)幀。同時,還要滿足具體應(yīng)用對實時性的要求:對每一個串口規(guī)定一個最長響應(yīng)時間。時間到時,不管是否已接收:300個字節(jié)都要對串口數(shù)據(jù)進行封裝,并放人以太網(wǎng)發(fā)送緩沖區(qū);同時,為了避免系統(tǒng)由于等待以太網(wǎng)發(fā)送緩沖區(qū)串口幀數(shù)達到4,而造成串口數(shù)據(jù)不能實時發(fā)送,要求在一定的時間內(nèi)進行一次以太網(wǎng)通信,而不必等待4個串口幀到齊才打包傳輸。

這樣,系統(tǒng)對數(shù)據(jù)容量和時間的雙重規(guī)定,能保證具體應(yīng)用對實時性的要求,并能一次傳輸盡量多的數(shù)據(jù),降低了由于時間上的“空等”造成系統(tǒng)實時性差的可能性。4個串口在串口層完成的功能是相同的,僅以COMl為例,給出串口層上數(shù)據(jù)

流,如圖5所示。

圖6說明了多串口數(shù)據(jù)幀等待打包傳輸?shù)倪^程。
 

網(wǎng)口數(shù)據(jù)到多串口的數(shù)據(jù)流向,是對以太網(wǎng)鏈路層的數(shù)據(jù)幀向上逐層解包的過程。如圖7所示,將收到的以太網(wǎng)幀,依次去掉每層的協(xié)議頭分解出應(yīng)用層數(shù)據(jù),再以0x24和OxOa為分界分離,根據(jù)串口號字段的值,將信息發(fā)送到相應(yīng)的設(shè)備,完成預定的控制。

結(jié)語

本文介紹基于TCPIP的多串口轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān),采用GM8123芯片增加了串行口數(shù)目,適合要求入網(wǎng)串口設(shè)備多的場合。借助于該多串口網(wǎng)關(guān),可方便的實現(xiàn)串口設(shè)備和監(jiān)控層的透明數(shù)據(jù)通信,實現(xiàn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化控制與信息的分布式管理,必能廣泛的應(yīng)用在基于以太網(wǎng)的分布式測控網(wǎng)絡(luò)中。和它類似的還有GM8125串口擴展芯片,不過GM8125是一擴五的串口擴展芯片。

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