串口服務器的功能
串口服務器是一種通信協(xié)議轉換器，它設有兩類通信端口：一類是標準的RS232/422/485格式的串行端口，遠程的RTU(遠程終端設備)監(jiān)控模塊通過串行控制總線接入串口服務器的此類端口;另一類是以太網(wǎng)口，通過網(wǎng)線將串口服務器接入局域網(wǎng)的交換機等設備中。
串口服務器在工作中可自動將RS232/422/485格式的串行數(shù)據(jù)與基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包進行透明轉換。一方面，串口服務器收到來自某一串行端口的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，將其轉換為TCP/IP格式的數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)口進行網(wǎng)絡上傳;另一方面，串口服務器在局域網(wǎng)中捕獲合法的數(shù)據(jù)協(xié)議包，通過解包來解析出有效的控制信息，通過監(jiān)控機指定的串行端口將控制命令以串行數(shù)據(jù)的方式傳送給遠程RTU。
硬件平臺
此系統(tǒng)的硬件平臺如圖1所示，它是以AT91RM9200芯片構建的MulTIbus-CPU開發(fā)板。MulTIBus-CPU系統(tǒng)是基于AT91RM9200微控制器的智能化多總線測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以建立基于Modbus-RTU總線協(xié)議的總線通信，使系統(tǒng)設備可以無縫地接入到基于Modbus-RTU模式的總線系統(tǒng)，以及可靠、實時并準確地完成工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集和信號輸出等功能。系統(tǒng)支持Modbus-RTU協(xié)議，同時，系統(tǒng)還支持多種總線通信，包括RS485總線，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(tǒng)。ARM上的Linux的主要優(yōu)勢：可擴展的完整操作系統(tǒng)提供了可靠的多任務環(huán)境，基于開源模型(GPL)，利用多種UNIX和開源應用程序以及用于基于ARM技術的多種設計(包括網(wǎng)絡和無線領域)。
Modbus協(xié)議
Modbus協(xié)議是應用于電子控制器的一種通信語言。利用這個協(xié)議，控制器相互之間以及控制器通過網(wǎng)絡(例如以太網(wǎng))和其他設備之間進行通信。
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(jié)，定義了怎樣將數(shù)據(jù)打包成報文幀以及如何解碼。報文幀包括一個字節(jié)的地址碼，一個字節(jié)的功能碼，數(shù)據(jù)和兩個字節(jié)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)議的基礎上進一步發(fā)展而來的。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)上實現(xiàn)了客戶機-服務器架構的Modbus報文通信。二者的數(shù)據(jù)幀結構如圖2所示。
圖2：標準Modbus與Modbus_TCP數(shù)據(jù)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(qū)別。與Modbus RTU協(xié)議相比，Modbus TCP數(shù)據(jù)幀里已不再有CRC校驗，而這部分校驗的任務是由TCP/IP協(xié)議和以太網(wǎng)的鏈路層來完成的。另外，Modbus TCP較標準的Modbus協(xié)議還加入了一個MBAP報文頭，由它來解釋說明Modbus的參數(shù)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(xù)字節(jié)組成一幀，再加上此幀的CRC校驗就可以組成RTU協(xié)議，而在串行鏈路上進行發(fā)送。如果是RTU協(xié)議轉換到TCP協(xié)議的話，那么要根據(jù)實際情況組建一個MBAP頭。
獲取配置信息GetConfigValue功能的設計與實現(xiàn)
在設計串口服務器之前，首先要配置相應的設備號并給設備配置相應的串口服務器IP地址、TCP通信端口號和串口參數(shù)等，這些配置信息放在一個txt文件當中。
我們設計了一個Configinfo.txt文件，當我們需要向一個設備傳遞信息時，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)絡進行配置，然后再進行相應的操作。這時，我們在其中用到了兩個自定義函數(shù)：GetConfigValue和GetCFGValue。其中GetConfigValue的功能是將Configinfo.txt中的信息配置給串口服務器，它調用GetCFGValue函數(shù)，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。
圖3：GetConfigValue函數(shù)程序流程圖(a)和GetCFGValue函數(shù)程序流程圖(b)。
串口操作函數(shù)封裝的設計與實現(xiàn)
在對串口進行相應的操作時，首先要打開串口并配置串口的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和工作模式等。這些關于串口的操作都封裝在一個文件當中，以使結構清晰，方便檢查以及修改或增加更多的操作函數(shù)。所進行的包括以下幾種操作。
串口的打開和關閉：打開串口時，需要首先判斷串口的類型，然后以一定的方式打開串口并保存原來的串口配置信息，最后對串口進行波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗位的設置。關閉串口時，需要將原來保存的終端信息恢復，使串口回到打開前的狀態(tài)。
對串口進行數(shù)據(jù)讀寫：串口的讀寫操作是串口服務器最基本的功能，當有數(shù)據(jù)傳送過來時，需要通過串口發(fā)送。寫串口操作會把內(nèi)存中的數(shù)據(jù)寫入所指的文件，讀串口操作會把串口送來的數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存中。分別用writecomport和readcomport來實現(xiàn)。
對串口進行設置：需要設置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗位。調用定義的封裝函數(shù)，來完成這些操作。串口的工作模式通過termios函數(shù)的配置來控制。
Modbus TCP/RTU相互轉換功能的實現(xiàn)
這一步是串口服務器設計的關鍵，其轉換重點在于CRC校驗和MBPA報頭的變換。在這里，定義mod2tcp函數(shù)來完成Modbus RTU到TCP格式的轉換，定義tcp2mod函數(shù)來完成Modbus TCP到RTU格式的數(shù)據(jù)轉換。例如，來自Modbus主站的TCP協(xié)議請求，經(jīng)串口服務器轉換成Modbus RTU格式，經(jīng)485口發(fā)送給從站，并將從站相應數(shù)據(jù)經(jīng)485接口送入串口服務器，轉換成Modbus TCP格式信息返回主站(圖4)。
圖4：Modbus TCP/RTU相互轉換示例。
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