基于Linux的串口服務器設計

　　串口服務器的功能

　　串口服務器是一種通信協議轉換器，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;另一類是以太網口，通過網線將串口服務器接入局域網的交換機等設備中。

　　串口服務器在工作中可自動將RS232/422/485格式的串行數據與基于TCP/IP協議的以太網數據包進行透明轉換。一方面，串口服務器收到來自某一串行端口的現場數據，將其轉換為TCP/IP格式的數據，通過以太網口進行網絡上傳;另一方面，串口服務器在局域網中捕獲合法的數據協議包，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據的方式傳送給遠程RTU。

　　硬件平臺

　　此系統的硬件平臺如圖1所示，它是以AT91RM9200芯片構建的MulTIbus-CPU開發(fā)板。MulTIBus-CPU系統是基于AT91RM9200微控制器的智能化多總線測控系統，該系統可以建立基于Modbus-RTU總線協議的總線通信，使系統設備可以無縫地接入到基于Modbus-RTU模式的總線系統，以及可靠、實時并準確地完成工業(yè)現場的數據采集和信號輸出等功能。系統支持Modbus-RTU協議，同時，系統還支持多種總線通信，包括RS485總線，工業(yè)以太網(UDP協議)，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。ARM上的Linux的主要優(yōu)勢：可擴展的完整操作系統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(包括網絡和無線領域)。

　　Modbus協議

　　Modbus協議是應用于電子控制器的一種通信語言。利用這個協議，控制器相互之間以及控制器通過網絡(例如以太網)和其他設備之間進行通信。

　　主流的Modbus協議為標準Modbus協議(Modbus RTU協議)和Modbus TCP協議。標準的Modbus通信協議定義了報文幀的每一字節(jié)，定義了怎樣將數據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，數據和兩個字節(jié)的校驗碼。其中，校驗碼采用CRC校驗。

　　Modbus TCP協議是在標準Modbus協議的基礎上進一步發(fā)展而來的。它是將Modbus協議嵌入到底層TCP/IP協議中構成的，這樣就在TCP/IP的以太網上實現了客戶機-服務器架構的Modbus報文通信。二者的數據幀結構如圖2所示。

　　圖2：標準Modbus與Modbus_TCP數據幀結構對比。

　　分析Modbus TCP協議和RTU協議，可以非常清楚地看出兩者的主要區(qū)別。與Modbus RTU協議相比，Modbus TCP數據幀里已不再有CRC校驗，而這部分校驗的任務是由TCP/IP協議和以太網的鏈路層來完成的。另外，Modbus TCP較標準的Modbus協議還加入了一個MBAP報文頭，由它來解釋說明Modbus的參數和功能。其他部分兩者可以互相通用。如果TCP協議轉換為RTU協議，那么，只需要把TCP協議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協議，而在串行鏈路上進行發(fā)送。如果是RTU協議轉換到TCP協議的話，那么要根據實際情況組建一個MBAP頭。

　　獲取配置信息GetConfigValue功能的設計與實現

　　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：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，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函數程序流程圖(a)和GetCFGValue函數程序流程圖(b)。

　　串口操作函數封裝的設計與實現

　　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、數據位、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。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、數據位、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)。

　　對串口進行數據讀寫：串口的讀寫操作是串口服務器最基本的功能，當有數據傳送過來時，需要通過串口發(fā)送。寫串口操作會把內存中的數據寫入所指的文件，讀串口操作會把串口送來的數據寫入內存中。分別用writecomport和readcomport來實現。

　　對串口進行設置：需要設置波特率、數據位、停止位和奇偶校驗位。調用定義的封裝函數，來完成這些操作。串口的工作模式通過termios函數的配置來控制。

　　Modbus TCP/RTU相互轉換功能的實現

　　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函數來完成Modbus RTU到TCP格式的轉換，定義tcp2mod函數來完成Modbus TCP到RTU格式的數據轉換。例如，來自Modbus主站的TCP協議請求，經串口服務器轉換成Modbus RTU格式，經485口發(fā)送給從站，并將從站相應數據經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。