基于串口數(shù)據(jù)流傳輸實(shí)現(xiàn)控制管理設(shè)備硬件的設(shè)計(jì)

著Internet的廣泛普及，“讓全部設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)”已經(jīng)成為全世界企業(yè)的共識(shí)。為了能跟上網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化的潮流，不至于失去競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，必須建立高品位的數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)監(jiān)控、即時(shí)成本管理的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。利用基于TCP/IP的串口數(shù)據(jù)流傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)來(lái)控制管理的設(shè)備硬件，無(wú)需投資大量的人力、物力來(lái)進(jìn)行管理、更換或者升級(jí)。

串口服務(wù)器就使得基于TCP/IP的串口數(shù)據(jù)流傳輸成為了可能，它能將多個(gè)串口設(shè)備連接并能將串口數(shù)據(jù)流進(jìn)行選擇和處理，把現(xiàn)有的RS 232接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成IP端口的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行IP化的管理，IP化的數(shù)據(jù)存取，這樣就能將傳統(tǒng)的串行數(shù)據(jù)送上流行的IP通道，而無(wú)需過(guò)早淘汰原有的設(shè)備，從而提高了現(xiàn)有設(shè)備的利用率，節(jié)約了投資，還可在既有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化布線復(fù)雜度。串口服務(wù)器完成的是一個(gè)面向連接的RS 232鏈路和面向無(wú)連接以太網(wǎng)之間的通信數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)控制，系統(tǒng)對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理來(lái)自串口設(shè)備的串口數(shù)據(jù)流，并進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，使之成為可以在以太網(wǎng)中傳播的數(shù)據(jù)幀；對(duì)來(lái)自以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行判斷，并轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)送達(dá)響應(yīng)的串口設(shè)備。

1 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)，是整個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

整個(gè)串口服務(wù)器的關(guān)鍵在于串口數(shù)據(jù)包與TCP/IP數(shù)據(jù)報(bào)之間的轉(zhuǎn)換以及雙方數(shù)據(jù)因?yàn)樗俾什煌嬖诘乃俾势ヅ鋯?wèn)題，在對(duì)串口服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，也必須著重考慮所做的設(shè)計(jì)和所選擇的器件是否能夠完成這些功能。

1.1 硬件系統(tǒng)組成模塊

在制定設(shè)計(jì)方案和選定器件時(shí)遇到的技術(shù)難點(diǎn)是如何利用處理器對(duì)串口數(shù)據(jù)信息進(jìn)行TCP/IP協(xié)議處理，使之變成可以在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包。目前解決這個(gè)問(wèn)題很多時(shí)候采用32位MCU + RTOS方案，這種方案是采用32位高檔單片機(jī)，在RTOS（實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)）的平臺(tái)上進(jìn)行軟件開發(fā)，在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)TCP/IP的協(xié)議處理。它的缺點(diǎn)是：?jiǎn)纹瑱C(jī)價(jià)格較高，開發(fā)周期較長(zhǎng)；需要購(gòu)買昂貴的RTOS開發(fā)軟件，對(duì)開發(fā)人員的開發(fā)能力要求較高。

借鑒上述方案的優(yōu)缺點(diǎn)，我們決定把串口服務(wù)器的硬件部分分為幾個(gè)模塊設(shè)計(jì)，這就是主處理模塊、串口數(shù)據(jù)處理模塊和以太網(wǎng)接口及控制模塊等幾大模塊來(lái)共同完成串口服務(wù)器的功能。

在器件的選擇上，選用Intel公司的801086芯片作為主處理模塊的處理器芯片，它是一種非常適合于嵌入式應(yīng)用的高性能、高集成度的16位微處理器，功耗低。由于考慮到串口數(shù)據(jù)速率較低而以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率高所造成的兩邊速率不匹配的問(wèn)題，我們決定采用符合總線規(guī)范的大容量存儲(chǔ)器來(lái)作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；由于主處理模塊還涉及到數(shù)據(jù)線/地址線復(fù)用、串并轉(zhuǎn)換、器件中斷信號(hào)譯碼、時(shí)鐘信號(hào)生成、控制信號(hào)接入等功能，若是選用不同的器件來(lái)完成，勢(shì)必會(huì)造成許多諸如時(shí)延不均等問(wèn)題，我們選用了一片大容量的高性能可編程邏輯器件來(lái)完成上述所提到的功能，這樣的優(yōu)點(diǎn)在于，我們保證了穩(wěn)定性和高可靠性，并且可編程邏輯器件的可編程功能使得對(duì)于信號(hào)的處理的空間更大，且具有升級(jí)的優(yōu)勢(shì)。

以太網(wǎng)接口及控制模塊在串口服務(wù)器的硬件里面起著很重要的作用，它所處理的是來(lái)自于以太網(wǎng)的IP數(shù)據(jù)包，考慮到通用性的原則，我們采用一片以太網(wǎng)控制芯片來(lái)完成這些功能，并在主處理模塊中添加了一片AT24C01來(lái)存儲(chǔ)以太網(wǎng)控制芯片狀態(tài)。通過(guò)主處理模塊對(duì)于以太網(wǎng)控制芯片數(shù)據(jù)及寄存器的讀/寫，我們可以完成對(duì)IP數(shù)據(jù)包的分析、解/壓包的工作。

串口數(shù)據(jù)處理模塊主要完成的是對(duì)于串口數(shù)據(jù)流的電平轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)格式的處理，判斷串行數(shù)據(jù)的起始位及停止位，完成對(duì)數(shù)據(jù)和校驗(yàn)位的提取。一般的設(shè)計(jì)采用的是MAX232和一片UART的設(shè)計(jì)思想，這里我們也是遵從這種設(shè)計(jì)理念，不過(guò)我們采用的是集成了MAX232+UART功能的芯片，小尺寸、低成本、低功耗，而且采用與SPITM/QS-PITM/MICROWIRETM兼容的串行接口，節(jié)省線路板尺寸與微控制器的I/O端口。

這種模塊化的方案的優(yōu)點(diǎn)在于：采用高速度的16位微控制器，外圍器件少，系統(tǒng)成本低；并且采用Intel公司的開發(fā)平臺(tái)，可以大幅度地縮短開發(fā)周期并降低開發(fā)成本。

1.2 硬件工作流程及應(yīng)用架構(gòu)

主處理器首先初始化網(wǎng)絡(luò)及串口設(shè)備，當(dāng)有數(shù)據(jù)從以太網(wǎng)傳過(guò)來(lái)，處理器對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行分析，如果是ARP（物理地址解析）數(shù)據(jù)包，則程序轉(zhuǎn)入ARP處理程序；如果是IP數(shù)據(jù)包且傳輸層使用UDP，端口正確，則認(rèn)為數(shù)據(jù)報(bào)正確，數(shù)據(jù)解包后，將數(shù)據(jù)部分通過(guò)端口所對(duì)應(yīng)的串口輸出。反之，如果從串口收到數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)按照UDP格式打包，送入以太網(wǎng)控制芯片，由其將數(shù)據(jù)輸出到以太網(wǎng)中。可以知道，主處理模塊主要處理TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，鏈路層部分由以太網(wǎng)控制芯片完成。應(yīng)用層交付軟件系統(tǒng)來(lái)處理，用戶可以根據(jù)需求對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2 硬件系統(tǒng)模塊

根據(jù)硬件系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)和不同功能，我們可以將硬件系統(tǒng)劃分為下述的幾大模塊。

2.1 主處理器模塊

該模塊是串口服務(wù)器的核心部分，主要由主處理器、可編程邏輯器件、數(shù)據(jù)及程序存儲(chǔ)器等器件構(gòu)成。

主處理模塊完成的功能主要有：在串口數(shù)據(jù)和以太網(wǎng)IP數(shù)據(jù)之間建立數(shù)據(jù)鏈路；通過(guò)對(duì)以太網(wǎng)控制芯片的控制讀寫來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)IP數(shù)據(jù)包的接收與發(fā)送；判別串行數(shù)據(jù)流的格式，完成對(duì)串口設(shè)備的選擇以及對(duì)串行數(shù)據(jù)流格式的指定；控制串口數(shù)據(jù)流與IP數(shù)據(jù)包之間的速率控制，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖處理；對(duì)UART和以太網(wǎng)控制芯片的寄存器進(jìn)行讀寫操作，并存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)器件狀態(tài)；完成16位總線數(shù)據(jù)的串并行轉(zhuǎn)換；完成總線地址鎖存功能；完成對(duì)各個(gè)串口以及各個(gè)存儲(chǔ)器件的片選功能；完成對(duì)各個(gè)串口的中斷口的狀態(tài)判別等功能。

2.2 以太網(wǎng)接口及控制模塊

這個(gè)模塊主要由以太網(wǎng)接口部分和以太網(wǎng)控制部分構(gòu)成。

以太網(wǎng)接口部分完成的是串口服務(wù)器與以太網(wǎng)接口電路的功能，控制器對(duì)所有模塊均有控制作用，使整個(gè)接口電路能協(xié)調(diào)地配合后續(xù)電路完成以太網(wǎng)的收發(fā)功能。

以太網(wǎng)控制部分由收端和發(fā)端組成，在他們之間還有以太網(wǎng)狀態(tài)檢測(cè)和控制單元，以及收發(fā)協(xié)調(diào)控制器，見圖5。由于以太網(wǎng)是半雙工工作的，所以這個(gè)部分必須隨時(shí)地監(jiān)視以太網(wǎng)的狀態(tài)，并且要根據(jù)需要對(duì)以太網(wǎng)進(jìn)行控制，同時(shí)還要協(xié)調(diào)好內(nèi)部收發(fā)端電路的工作狀態(tài)。以太網(wǎng)檢測(cè)單元和收發(fā)協(xié)調(diào)控制器就是完成這樣的功能的。以太網(wǎng)狀態(tài)檢測(cè)單元與以太網(wǎng)接口的控制器接口，將接口的狀態(tài)送到收發(fā)協(xié)調(diào)控制器，同時(shí)將協(xié)調(diào)控制器的控制信號(hào)進(jìn)行處理，并送到以太網(wǎng)接口的控制器，以控制接口的狀態(tài)。

在收端，接收到的串行數(shù)據(jù)流信號(hào)通過(guò)主處理模塊進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換和編碼，以太網(wǎng)控制單元控制各部分協(xié)調(diào)，將產(chǎn)生的地址、數(shù)據(jù)、寫信號(hào)送到RAM讀寫控制單元進(jìn)行處理。相應(yīng)的，發(fā)端的工作流程和收端相反。

2.3 串口數(shù)據(jù)處理模塊

該模塊主要完成串口設(shè)備的狀態(tài)收集、串行數(shù)據(jù)流的接收和數(shù)據(jù)格式的解/封包工作，由8片UART和對(duì)應(yīng)的串口接口構(gòu)成。前面我們已經(jīng)說(shuō)明了各個(gè)端口的尋址方式，當(dāng)主處理模塊尋址某個(gè)端口時(shí)，由主處理模塊讀寫相應(yīng)的UART的寄存器，判定相連接的串口設(shè)備的空閑狀態(tài)，并與之建立通信連接，發(fā)回控制數(shù)據(jù)幀給主處理器，主處理器收到控制信號(hào)后，再?zèng)Q定是否發(fā)送和接收數(shù)據(jù)流。

3 硬件系統(tǒng)流程

在串口服務(wù)器中，硬件部分與軟件部分相結(jié)合完成整個(gè)系統(tǒng)的功能，用戶通過(guò)軟件部分的可視化界面和C/S架構(gòu)的監(jiān)控模式來(lái)完成對(duì)串口設(shè)備的控制與管理；硬件部分完成串行數(shù)據(jù)與IP數(shù)據(jù)包之間的格式轉(zhuǎn)換以及控制信號(hào)的處理。

顯示的是串口服務(wù)器硬件在系統(tǒng)流程的內(nèi)部數(shù)據(jù)流向圖。因?yàn)樵谡麄€(gè)串口服務(wù)器的系統(tǒng)中，硬件完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換以及控制信號(hào)處理等主要功能，軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)遵循一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的接口，在這個(gè)接口之上來(lái)傳遞數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)，串口服務(wù)器的狀態(tài)信息主要由中央服務(wù)器來(lái)處理和收集，由于服務(wù)器完成的只是一些狀態(tài)存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)，所以與原來(lái)的串口設(shè)備—前置機(jī)模式有很大區(qū)別，中央服務(wù)器也不需要負(fù)擔(dān)太多的工作。

下面對(duì)串口服務(wù)器硬件的具體實(shí)現(xiàn)方案作流程說(shuō)明，這樣會(huì)對(duì)串口服務(wù)器有更深的了解，限于篇幅，只對(duì)主要流程作分析和介紹。

3.1 TCP/IP數(shù)據(jù)包傳送至串口設(shè)備

（1）上電初始化以太網(wǎng)控制芯片，并從狀態(tài)存儲(chǔ)器中讀取狀態(tài)字寫入相應(yīng)的寄存器中；

（2）采用中斷機(jī)制而不是輪詢機(jī)制來(lái)處理以太網(wǎng)來(lái)的數(shù)據(jù)，當(dāng)RTL8019AS接收到IP數(shù)據(jù)包時(shí)，判斷數(shù)據(jù)包格式寫相應(yīng)寄存器，并發(fā)送中斷INT0給80C186處理器，請(qǐng)求系統(tǒng)處理；

（3）80C186接收到中斷，保存目前工作狀態(tài)來(lái)響應(yīng)中斷，然后判別總線空閑狀態(tài)，若忙，則置AEN高位，若空閑，則置AEN低位。同時(shí)置某些控制腳狀態(tài)，使RTL8019AS地址使能；

（4）由于80C186的數(shù)據(jù)線AD0～AD15與地址線A0～A15共線，所以必須通過(guò)EPM7128S可編程邏輯器件地址鎖存，80C 186送出地址信號(hào)并置ALE地址鎖存使能；

（5）80C186通過(guò)數(shù)據(jù)總線讀取RTL8019AS寄存器信息，判別RTL8019AS的目前狀態(tài)；

（6）通過(guò)AD0～AD15讀取數(shù)據(jù)包，置A19為1，使能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器緩存；

（７）獲取IP數(shù)據(jù)包目的端口號(hào)，用以確定選通的相應(yīng)器件，在這里我們認(rèn)定端口號(hào)選擇的是某MAX3110E，并對(duì)應(yīng)相應(yīng)的端口地址；

（8）置A19為0，通過(guò)A18～A16送出端口地址信號(hào)，選通該片MAX3110E，在這里我們先假設(shè)該片MAX3110E空閑；

（9）選通之后，先送出10000010××××××××，請(qǐng)求與串口設(shè)備建立連接，通過(guò)讀取送來(lái)的16位信息的第9位判別連接是否建立；

（10）將IP數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)部分通過(guò)A0～A7，而A8～A15則由系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)加入狀態(tài)字（在本流程中，我們?cè)O(shè)定加入的為10000010），一起送至EPM7128S可編程邏輯器件，通過(guò)其內(nèi)部的串并轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)流送至MAX3110E；

（11）由MAX3110E將該串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)異步串行數(shù)據(jù)傳送給串口設(shè)備，至此，一個(gè)簡(jiǎn)要的由IP數(shù)據(jù)包傳送至串口設(shè)備的流程基本上如此，在這里限于篇幅，我們只介紹了一個(gè)單向的通路情況，沒(méi)有對(duì)各個(gè)旁支情況作介紹。

3.2 串口設(shè)備數(shù)據(jù)傳送至以太網(wǎng)

由于有些步驟與上一個(gè)流程基本相似，這里略去不提。

（1）系統(tǒng)接收到某MAX3110E送來(lái)的中斷IRQx，判別目前系統(tǒng)狀態(tài)，響應(yīng)中斷；

（２）發(fā)送控制字給MAX3110E，建立連接；

（3）讀取AD0～AD15，由A8～A15判別數(shù)據(jù)流的大小、格式、奇偶校驗(yàn)位等信息。由A0～A7接收數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)存取器；

（4）選通RTL8019AS，將目前數(shù)據(jù)打包，加入TCP頭和IP頭送入，并由以太網(wǎng)接口模塊送出。

3.3 可編程邏輯器件電路

EPM7128S在整個(gè)系統(tǒng)里面完成很重要的功能，主要完成16位地址鎖存，16位數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換，通過(guò)INT1～I(xiàn)NT3來(lái)對(duì)MAX3110E芯片的中斷響應(yīng)，對(duì)AT24C01的工作等功能。

4 應(yīng)用領(lǐng)域

串口服務(wù)器可以將各企事業(yè)單位的串口設(shè)備接入以太局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)資源共享，在通信、交通、學(xué)校、金融、稅務(wù)、保險(xiǎn)等行業(yè)都有廣泛的用途。該系統(tǒng)有較好的市場(chǎng)前景，成本小，見效快，能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。

此設(shè)計(jì)作品獲第八屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽重慶賽區(qū)特等獎(jiǎng)，目前已經(jīng)進(jìn)入在華南理工大學(xué)舉行的第八屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽決賽。

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