基于ARM7的串口服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)

摘　要：文中提出了一種低成本、高性能的嵌入式串口服務(wù)器的硬軟件設(shè)計(jì)方案。該服務(wù)器以ARM7芯片LPC2210為核心控制器， 采用RTL8019以太網(wǎng)控制器處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)， TL16C554異步通信組件處理串口數(shù)據(jù)。對(duì)輕便TCP/ IP協(xié)議棧LW IP在μC/OS - Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)中進(jìn)行了移植， 并對(duì)16路串行通道設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)多任務(wù)方案， 使串口服務(wù)器能夠以TCP/UDP模式在網(wǎng)口和串口端進(jìn)行雙向232 /485通信。實(shí)驗(yàn)證明本服務(wù)器能使傳輸數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)， 準(zhǔn)確。

　　通過擴(kuò)展多串口， 可以在PC端遠(yuǎn)程監(jiān)控、管理各種外設(shè)， 或?qū)ν庠O(shè)進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)。通常串口服務(wù)器采用ARM9 微處理器和帶TCP / IP協(xié)議棧的付費(fèi)操作系統(tǒng)， 而文中提出的串口服務(wù)器是通過移植LW IP協(xié)議棧到代碼開源的μC /OS - Ⅱ中實(shí)現(xiàn)， 這樣不但降低成本， 而且代碼的編寫更加透明、靈活。

　　1　硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　本串口服務(wù)器采用Philip s的ARM7 系列芯片LPC2210，網(wǎng)絡(luò)控制芯片采用RTL8019, 串口采用TL16C554芯片擴(kuò)展。為得到更廣泛的應(yīng)用， 串口端還擴(kuò)展485 接口， 通過跳線選擇232 /485 方式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖， 如圖1所示。

　　

 

　　圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　2　軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　串口服務(wù)器軟件系統(tǒng)包括兩部分： TCP / IP協(xié)議棧的移植和實(shí)時(shí)多任務(wù)應(yīng)用程序。μC /OS - Ⅱ在LPC系列ARM中的移植采用周立功公司的方案。

　　2.1　TCP / IP協(xié)議棧的移植

　　LW IP是瑞士人Adma Dumkels等開發(fā)的源代碼開放的精簡(jiǎn)TCP / IP 協(xié)議棧。目的是在于保證TCP協(xié)議完整的情況下減少系統(tǒng)資源的需求， 適合于資源較少的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。移植LW IP協(xié)議棧主要有兩部分代碼： (1)編寫操作系統(tǒng)模擬層相關(guān)代碼; (2) LW IP接口初始設(shè)置及網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)。

　　2.1.1　操作系統(tǒng)模擬層相關(guān)代碼

　　操作系統(tǒng)模擬層存在的目的主要是在μC /OS - Ⅱ和LW IP之間提供一座橋梁， 使LW IP能與μC /OS - Ⅱ能以相同的規(guī)范存在于一個(gè)系統(tǒng)中并能相互通信。LW IP有信號(hào)量和郵箱兩種進(jìn)程通訊方式， 而μC /OS - Ⅱ也提供這兩種進(jìn)程通訊方式。

　　信號(hào)量用來同步任務(wù)， 操作函數(shù)有sys_new_sem (建立并返回一個(gè)新信號(hào)量) , sys_ sem _ signal(指定要發(fā)送的信號(hào)量) , sys_sem_free (指定要釋放的信號(hào)量) , sys_arch_sem_wait (等待由參數(shù)sem指定的信號(hào)量并阻塞線程) , 在這些函數(shù)體中進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的初始化并加入μC /OS - Ⅱ中的相關(guān)函數(shù)便可完成。

　　郵箱用來投遞消息， LW IP允許將郵箱實(shí)現(xiàn)為一個(gè)隊(duì)列，多條消息投遞到這個(gè)郵箱。

　　μC /OS - Ⅱ提供了豐富的消息隊(duì)列函數(shù)， 且μC /OS - Ⅱ和LW IP投遞到郵箱中的消息均用指針實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)建立了多個(gè)郵箱， 郵箱通過單向鏈表接在一起。接收消息的最大數(shù)量由消息數(shù)組決定， 結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

　　

 

　　圖2　郵箱數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

　　郵箱建好后用指針P_Mbox指向節(jié)點(diǎn)1, 申請(qǐng)新郵箱將節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2斷開， P_Mbox指向節(jié)點(diǎn)1的p stNext, 以此類推?；厥諘r(shí)P_Mbox的移動(dòng)方向與申請(qǐng)時(shí)相反， 這樣不會(huì)浪費(fèi)內(nèi)存且比較穩(wěn)定。由以上結(jié)構(gòu)和μC /OS - Ⅱ提供的函數(shù)寫出郵箱相關(guān)函數(shù)。

　　除此之外， 還需要編寫任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)sys_thread_new和sys_arch_timeouts函數(shù)， 由于每個(gè)任務(wù)都有timeouts鏈表， sys_arch _timeouts函數(shù)返回的sys_timeouts結(jié)構(gòu)保存了timeouts鏈表的首地址。

　　2.1.2　LW IP初始化設(shè)置及底層驅(qū)動(dòng)

　　LW IP的初始化設(shè)置包含在LW IP通信進(jìn)程的入口函數(shù)中， 其入口函數(shù)LwipEntry的基本結(jié)構(gòu)如下：

　　Void LwipEntry ( void 3 pvArg)

　　{

　　/ /初始化LW IP, 涉及LW IP使用的內(nèi)存區(qū)，PCB ( TCP /UDP)以及OS模擬層各個(gè)方面

　　__ilvInitLwip ( ) ;

　　/ /設(shè)置LW IP, 包括添加配置網(wǎng)絡(luò)接口， 建立接受任務(wù)等工作

　　__ilvSetLwip ( ) ;

　　/ /在這里建立LW IP 的應(yīng)用， 服務(wù)器支持TCP /UDP方式， 兩種方式都建立

　　}

　　底層驅(qū)動(dòng)在服務(wù)器每次收發(fā)數(shù)據(jù)中都要調(diào)用，這部分代碼需要有良好的健壯性和穩(wěn)定性。整個(gè)實(shí)現(xiàn)順序， 如圖3所示。

　　

 

　　圖3　底層程序框架圖[!--empirenews.page--]發(fā)送主線首先是以太網(wǎng)初始化函數(shù)( 1)開始，調(diào)用鏈路層發(fā)送函數(shù)(2)并增加各層協(xié)議頭， 再調(diào)用RTL8019發(fā)送函數(shù)(9)發(fā)送數(shù)據(jù)。

 

　　接收主線除初始化以太網(wǎng)外， 需調(diào)用鏈路層初始化函數(shù)(3) , ( 3)中調(diào)用( 4)初始化RTL8019。

　　收到的數(shù)據(jù)先經(jīng)過函數(shù)(8) , 然后通過信號(hào)量傳送到函數(shù)(6) , 由( 6)調(diào)用( 7)得到數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)， 最后由(5)根據(jù)以太網(wǎng)幀頭攜帶的上層協(xié)議類型判斷是交給IP協(xié)議還是ARP協(xié)議處理。

　　移植完畢， 進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。使用TCP傳輸協(xié)議， 由網(wǎng)口虛擬串口軟件VSPM通過串口調(diào)試工具收發(fā)數(shù)據(jù)， 圖4是以10 ms的發(fā)送速度在自發(fā)自收程序中收發(fā)數(shù)據(jù)的截圖。

　　

 

　　圖4　TCP協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸界面

　　由于COM1和COM2被PC機(jī)占用， 故由網(wǎng)口虛擬出來的串口是COM3, 由圖4可看出在面向連接的TCP協(xié)議下， 高速收發(fā)數(shù)據(jù)不會(huì)丟包。

　　2.2　實(shí)時(shí)多任務(wù)方案的設(shè)計(jì)

　　16個(gè)串口分別與網(wǎng)絡(luò)端口組成16 個(gè)雙向通道。為使代碼靈活、透明， 程序不使用LW IP提供的SOCKET AP I。應(yīng)用程序把每個(gè)雙向通道分為發(fā)送， 接收， 串口3個(gè)任務(wù)， 加上LW IP本身需占用一個(gè)任務(wù)， 共需建立49個(gè)任務(wù)。μC /OS - Ⅱ最多能建立64 個(gè)任務(wù)， 其中8 個(gè)操作系統(tǒng)本身占用，剩56個(gè)能滿足要求。由VSPM軟件把網(wǎng)口模擬成16個(gè)串口， 串口服務(wù)器偵聽的16 個(gè)端口分別是1 000～1 015, 如圖5所示。

　　

 

　　圖5　網(wǎng)口虛擬擴(kuò)展16個(gè)串口界面

　　網(wǎng)絡(luò)端和串口端的數(shù)據(jù)接收會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的中斷。每個(gè)雙向通道的3個(gè)任務(wù)各司其職， 網(wǎng)口端接收數(shù)據(jù)中斷后在傳輸層協(xié)議判斷信源的端口號(hào)，交給相應(yīng)的接收任務(wù)， 處理完后交給串口任務(wù)把數(shù)據(jù)從相應(yīng)串口發(fā)送; 串口接收數(shù)據(jù)后在中斷程序中判斷信源的通道號(hào)， 把數(shù)據(jù)交給串口任務(wù)，處理完后由發(fā)送任務(wù)通過網(wǎng)口把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

　　服務(wù)器支持TCP /UDP兩種傳輸協(xié)議， 下面給出一個(gè)通道的TCP傳輸流程圖， UDP部分代碼只需在相應(yīng)任務(wù)中調(diào)用LW IP給的UDP函數(shù)。TCP模式下串口服務(wù)器工作在Server模式， PC機(jī)工作在Client模式， 流程圖， 如圖6所示。

　　

 

　　圖6串口服務(wù)器單通道程序流程圖

　　3.結(jié)論

　　文中本服務(wù)器是以性能不及ARM9且不能使用L inux的ARM7為主控芯片， 但兩種開源代碼μC /OS - Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)和LW IP協(xié)議棧的有效結(jié)合避免了高額的軟件費(fèi)用， 而且能滿足通信要求。實(shí)驗(yàn)證明， 基于LW IP和μC /OS - Ⅱ的串口服務(wù)器不僅能實(shí)現(xiàn)雙向通信，而且傳輸數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確， 符合工業(yè)應(yīng)用的要求。