摘要:針對許多設備不具備網(wǎng)絡接口的問題,以ARM7Cortex-M3處理器LM8962為核心構建嵌入式系統(tǒng),利用SC28L198芯片擴展8個串口,完成基于μC/OS-II操作系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議的多串口服務器設計。該系統(tǒng)能夠同時為8個串口設備提供以太網(wǎng)遠程數(shù)據(jù)傳輸,為具有串行通信接口設備的網(wǎng)絡控制提供了條件,實現(xiàn)了計算機遠程監(jiān)控。
為使傳統(tǒng)串口設備能夠方便、快捷地接入互聯(lián)網(wǎng),筆者以ARM7處理器LM8962和串口擴展芯片SC28L198為核心構建嵌入式系統(tǒng)(串口服務器),完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)與串行口數(shù)據(jù)之間的相互轉換。一方面,LM8962將SC28L198發(fā)送過來的串口數(shù)據(jù)打包成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀,并通過自身的以太網(wǎng)控制器發(fā)往主機;另一方面,LM8962將收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)解包,分離出數(shù)據(jù)和相應的串口設備號,然后通過SC28L198的相應通道發(fā)往串口設備。
1 串口服務器硬件結構
該系統(tǒng)選用TI公司生產(chǎn)的ARM芯片LM8962作為主控MCU以及選用Phillips公司生產(chǎn)的芯片SC28L198作為8通道UART控制器。
該系統(tǒng)的主要功能是完成TCP/IP協(xié)議與串口通信協(xié)議之間的相互轉換。
主控制器LM8962是由LuminaryMicro公司開發(fā)的一款基于ARMCortex-M3MCU內核的32位微處理器。該處理器支持的最大主頻為50MHz,具有嵌入式Flash和SRAM、運動控制PWM等內部模塊。LM8962內部集成了以太網(wǎng)控制器,結合了Bosch控制器局域網(wǎng)技術和10/100以太網(wǎng)媒體訪問控制(MAC)以及物理(PHY)層,簡化了該系統(tǒng)以太網(wǎng)連接的硬件電路設計。該微控制器使用了兼容ARMThumb?的Thumb2指令集來減少存儲容量的需求,并以此達到降低成本的目的。系統(tǒng)的硬件結構如圖1所示。
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圖1硬件結構圖
UART器件SC28L198提供了8路相互獨立的全雙工異步通道,每路UART通過同步總線接口與主機進行通信。每個通道的接收器和發(fā)送器均具有16個字符的FIFO,最大限度地減少了接收器超時的情況,使用用戶定義的Xon/Xoff字符可實現(xiàn)自動帶內流量控制,在喚醒模式下可進行地址識別。SC28L198同時還包括以下功能模塊:
時序模塊,其中包含一個可產(chǎn)生22個工業(yè)標準的波特率的通用波特率發(fā)生器和用來產(chǎn)生非標準波特率的2個16位計數(shù)器;I/O口控制模塊和狀態(tài)變化檢測器模塊;可仲裁24個中斷的中斷仲裁系統(tǒng)。為了降低軟件開銷,器件包含的中斷仲裁系統(tǒng)通過直接訪問或修改中斷向量的方法來報告UART中斷的情況。報告的中斷上下文包括通道編號、器件中斷類型(接收器COS等)、發(fā)送器或接收器FIFO的填充點。
2 串口擴展電路
圖2描述了具有8通道的串口聯(lián)網(wǎng)服務器的電路連接框圖。串口服務器的硬件由兩個主要芯片和其他外圍電路組成。在SC28L198的管腳中,CEN、W_RN、IACKN、DACKN、IRQN、SCLK管腳控制著主機外部與內部數(shù)據(jù)總線與SC28L198之間的數(shù)據(jù)傳輸,管腳A7~A0為SC28L198與ARM相連的地址總線,D7~D0為SC28L198與ARM傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線。
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圖2電路連接框圖
波特率發(fā)生器工作在振蕩器或外部X1/CCLK時鐘輸入下,可以產(chǎn)生22個50.0~230.4k范圍內的常用數(shù)據(jù)通信波特率。通常使用的外部晶振頻率為3.6864MHz和7.3728MHz,在7.3728MHz工作頻率下產(chǎn)生的波特率是3.6864MHz下產(chǎn)生的兩倍。每個接收器和發(fā)送器可以工作在不同的波特率下,通過向波特率選擇寄存器寫入不同的選擇代碼將產(chǎn)生不同的波特率。
SC28L198的系統(tǒng)時鐘(SCLK)可同時作為主機接口和其他內部電路的基本時間基準。為了確保內部控制器的正確操作,提供的SCLK頻率必須大于X1晶體時鐘的2倍或任何外部的1X數(shù)據(jù)時鐘輸入。由于LM8962芯片本身沒有提供時鐘信號輸出引腳,若由定時器中斷產(chǎn)生7.3728MHz以上頻率的方波信號將使LM8962頻繁處理中斷程序,影響程序執(zhí)行效率。當SC28L198工作在50MHz頻率下,其中的PWM硬件模塊最高可以產(chǎn)生25MHz輸出,且不產(chǎn)生任何中斷,因此LM8962將從頻繁的查詢和處理中斷中解脫出來。
在該系統(tǒng)中,需根據(jù)不同的應用場合使用RS-232收發(fā)器或RS-422/485收發(fā)器及其外圍電路。使用RS-232收發(fā)器可以進行近距離全雙工通信,使用RS-422/485收發(fā)器能夠進行遠距離數(shù)據(jù)傳輸。由于整個系統(tǒng)工作于3.3V電壓下,為了匹配TTL電平和RS-232電平或RS-422/485電平,該電路采用MAX3232芯片或MAX3485芯片。
LM8962內部集成的以太網(wǎng)控制器包含一個完整的MAC模塊和PHY接口器件,簡化了硬件電路設計。該以太網(wǎng)控制器完全支持10BASE-T和100BASE-TX標準以及遵守IEEE802.3協(xié)議。整個系統(tǒng)連接以太網(wǎng)只需一個隔離變壓器,無需外接以太網(wǎng)控制芯片,簡化了硬件設計。隔離變壓器能夠隔離模塊地和數(shù)字地,從而保證SC28L198能夠遠離外界的復雜信號。
3 軟件設計
在該系統(tǒng)中,用戶可以對串口服務器的配置、狀態(tài)查詢和在計算機(客戶端)上通過以太網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)進而操作該串口服務器。在客戶端上,8個SC28L198的通道被虛擬成8個COM接口。操作這些虛擬COM接口就如同操作計算機上的物理COM接口,因此用戶不必知道數(shù)據(jù)是通過以太網(wǎng)進行傳輸。實際上,用戶操作這些COM接口時,產(chǎn)生的命令和數(shù)據(jù)將被打包成一幀數(shù)據(jù)并發(fā)往處理器LM8962,然后LM8962將數(shù)據(jù)通過SC28L198的相應通道發(fā)送到設備上。串口服務器使用ARM處理器LM8962作為嵌入式設備的核心器件,在其上運行μC/OS-II操作系統(tǒng)來打開、關閉和管理8個串行通道的相應進程。因此,8個串行通道能夠同時收發(fā)數(shù)據(jù)而不相互影響。
3.1μC/OS-II
μC/OS-II是免費開源、專門為嵌入式系統(tǒng)設計的實時操作系統(tǒng)。它包括任務計劃、任務管理、時間管理、內存管理、任務間的通信以及其他一些基本功能。在該系統(tǒng)中采用μC/OS-II來實現(xiàn)以下功能:
(1)建立一個消息隊列來存儲串口通道的消息和UDP消息;(2)控制SC28L198收發(fā)串口數(shù)據(jù);(3)建立一個任務來管理UDP通信,并通過以太網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù);(4)建立一個任務來管理串口通道收發(fā)任務與UDP通信任務之間的通信。
3.2TCP/IP模塊
TCP/IP協(xié)議具有分層結構,能夠實現(xiàn)對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀進行打包和解包。UDP在TCP/IP的傳輸層,提供一種不可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務,但UDP協(xié)議相對簡單,比起TCP協(xié)議更能夠提供實時和快速的數(shù)據(jù)傳輸。在正常的運行過程中,該TCP/IP程序模塊能夠從數(shù)據(jù)隊列中獲取串口通信的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)打包至UDP包中,然后將UDP包發(fā)送至IP層,最后形成一幀數(shù)據(jù)。該幀數(shù)據(jù)將會通過以太網(wǎng)發(fā)送到計算機中。與此同時,該程序模塊還將從以太網(wǎng)接收到的數(shù)據(jù)解包出來,將其中的串口通道號和串口數(shù)據(jù)發(fā)送到SC28L198中去。表1描述了收發(fā)一幀數(shù)據(jù)的格式。
表1數(shù)據(jù)傳輸格式
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3.3 SC28L198收發(fā)模塊
圖3描述了串口接收模塊的工作流程。當SC28L198中的某個接口通道接收到串口設備的一幀數(shù)據(jù)時,這些數(shù)據(jù)將被送往數(shù)據(jù)隊列,同時保存相應的串口通道號。當打包時間到了規(guī)定的時間或者打包的串口數(shù)據(jù)已經(jīng)達到規(guī)定的最大長度(200字節(jié))時,該數(shù)據(jù)包將被發(fā)往以太網(wǎng)。圖4描述了串口發(fā)送模塊的工作流程。當該系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接收到主機發(fā)來的一幀數(shù)據(jù)或命令時,ARM處理器將去掉以太網(wǎng)幀頭、IP頭和UDP頭,提取出串口通道號,將分離出的串口數(shù)據(jù)幀發(fā)送到對應的串口通道。
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圖3 串口數(shù)據(jù)接收流程
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圖4 串口數(shù)據(jù)發(fā)送流程
3.4初始化程序
在整個系統(tǒng)開始工作之前,程序必須對SC28L198中的每個通道進行初始化。ARM處理器LM8962通過向SC28L198的寄存器寫入命令來完成整個初始化過程。為了保證LM8962與串口設備之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)準確無誤,串口服務器需要規(guī)定每個通道的通信格式。該格式包括發(fā)送數(shù)據(jù)波特率和接收數(shù)據(jù)波特率、數(shù)據(jù)長度、停止位和校驗位等。整個初始化過程的程序如下:
void UART_Init( void) {
uchar channel;
UART_WR ( GCCR,0 x06) ; /* 全局配置* /
UART_WR ( CR( 0), 0xF8) ; /* 重啟芯片* /
UART_WR ( ICR, 0x00) ; /* 設置中斷水平* /
UART_WR ( IVR,0x00) ; /* 設置中斷仲裁門檻* /
for( channel = 0; channel < 8; channel + + ) {
UART_WR ( MR0( channel) ,0xC0) ; /* 無流量控制* /
UART_WR( MR1( channel) ,0x77) ; /* 設置數(shù)據(jù)格式* /
UART_WR( MR2( channel) ,0x00) ; /* 普通模式* /
UART_WR( RXCSR( channel) ,0x0E) ; /* 設置接收波特率* /
UART_WR( TXCSR( channel) ,0x0E) ; /* 設置發(fā)送波特率* /
UART_WR( CR( channel) ,0x28) ; /* 鎖住收發(fā)器* /
UART_WR( IMR( channel) ,0x03) ; /* 開啟
Tx 和Rx* /
}
}
4 結論
系統(tǒng)采用μC/OS-II操作系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)了實時、高效的數(shù)據(jù)傳輸,為RS232/422/485設備提供了方便快捷的以太網(wǎng)連接。該系統(tǒng)能夠為串口設備提供網(wǎng)絡化監(jiān)控、管理,以及遠距離數(shù)據(jù)服務。
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