隨著企業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大和Internet技術(shù)的廣泛普及，全球各個(gè)領(lǐng)域的不同企業(yè)已經(jīng)對“讓設(shè)備聯(lián)網(wǎng)”達(dá)成共識，而在工業(yè)控制和通信設(shè)備中，更多的卻是符合RS232標(biāo)準(zhǔn)的串行口設(shè)備。如何將多個(gè)串行口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸便成了一個(gè)亟待解決的問題。同時(shí)，考慮到成本問題，以往設(shè)備又不可能全部淘汰，因此，本文提出一種基于TCP／IP的多串口轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，可從根本上解決這一難題。
多串口轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)使得串口數(shù)據(jù)流到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流的傳輸成為可能。它能連接多個(gè)RS232串口設(shè)備，并將串口數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇和處理，把RS232接口的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流，這樣就可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化。采用此種方案，無需淘汰原有串口設(shè)備，多臺設(shè)備可同時(shí)入網(wǎng)，既可以提高設(shè)備利用率，又節(jié)約組網(wǎng)費(fèi)用，還可在已有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上簡化布線復(fù)雜度。采用串口擴(kuò)展芯片
(1)TCP／lP協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊
它是一個(gè)微型的以太網(wǎng)接入模塊，由微控制器(MCU)、網(wǎng)卡接口芯片、EEPROM 93C46、片外512 KBSRAM芯片IS6lLV5128以及輔助元件構(gòu)成。微控制器控制網(wǎng)卡接口芯片進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)地址解析協(xié)議(ARP)、Internet控制報(bào)文協(xié)議(ICMP)、IP協(xié)議、用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP)等協(xié)議的解析和封包。將以太網(wǎng)發(fā)送緩沖區(qū)的串口幀封裝在UDP包中，并傳給IP層；同時(shí)，接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀并向上層層解包，分離應(yīng)用層數(shù)據(jù)，然后數(shù)據(jù)的解析處理交由多串口發(fā)送模塊完成，實(shí)現(xiàn)RS232串口流與以太網(wǎng)端口流的透明轉(zhuǎn)換。
(2)多串口收發(fā)控制模塊
實(shí)現(xiàn)多個(gè)RS232串口數(shù)據(jù)流的收／發(fā)控制，包括微控制器、串口擴(kuò)展芯片(GM8123)、MAX232等元件。微控制器控制
當(dāng)兩組串口同時(shí)有數(shù)據(jù)請求時(shí)，首先，MCU的中斷機(jī)制判斷中斷請求的優(yōu)先級，對優(yōu)先級高的中斷請求優(yōu)先響應(yīng)。系統(tǒng)對優(yōu)先級分配：UART0為2，UARTl為1，即MCU優(yōu)先響應(yīng)UART0的中斷請求。當(dāng)UARTO的3個(gè)子口同時(shí)有數(shù)據(jù)請求時(shí)，通過輪詢方式，對各個(gè)子口予以響應(yīng)，即按照子口號的地址由小到大進(jìn)行響應(yīng)。這樣，就形成了2級中斷和4個(gè)串口的多串口實(shí)現(xiàn)方案。
3.2 多串口擴(kuò)展芯片——GM8123
GM8123可將一個(gè)全雙工的標(biāo)準(zhǔn)串口擴(kuò)展成3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串口，并能通過外部引腳控制。選用該芯片是基于它的自身特點(diǎn)：
①采用寫控制字的方式對芯片進(jìn)行控制，控制簡單；
②數(shù)據(jù)格式10位或11位可選；
③擁有3個(gè)子串口．且各子串口波特率可調(diào)(統(tǒng)一調(diào)節(jié))；
④兩種模式(單道模式和多道模式)可通過1根引腳控制；
⑤在多通道工作模式下，各子串口的波特率等于母串口波特率的4分頻；
⑥在多通道工作模式下，接收時(shí)地址線SRADD1～0向MCU返回接收子通道的地址，MCU接收到母串口送來的數(shù)據(jù)后，就可根據(jù)SRADDl～0狀態(tài)判斷數(shù)據(jù)是從哪一個(gè)子串口送來的，發(fā)送時(shí)先由MCU選擇子串口再向母串口發(fā)送數(shù)據(jù)；
⑦與標(biāo)準(zhǔn)串口通信格式兼容，TTL電平輸出；
⑧每位采樣16次，提高數(shù)據(jù)正確性；
⑨寬工作電壓為2．3～6．7 V。
⑩輸入地址引腳有50～80 kΩ下拉電阻，其他輸入
引腳有50～80 kΩ上拉電阻(OSCI除外)。
3.3各串口的特點(diǎn)及應(yīng)用分析
系統(tǒng)中兩組串口利用的資源不同，在速率上它們之間存在差異。串口COMl、COM2和COM3通過GM8123擴(kuò)展微控制器的UARTO得到，適合傳輸速率較慢、數(shù)據(jù)量小的設(shè)備；COM4是微控制器的UARTl，相對于第一組串口能很好的適應(yīng)傳輸速率較快的設(shè)備。
GM8123工作在多道模式，各子串口必須設(shè)置統(tǒng)一波特率，不適用于各串口設(shè)備工作波特率不一致、又要求同時(shí)工作的場合，這也是該芯片的不足之處。實(shí)際應(yīng)用中，COM1、COM2和COM3應(yīng)該連接類型、速率相同的設(shè)備。COM4的波特率可以根據(jù)需求具體配置，這樣，系統(tǒng)的4個(gè)串口從速率上可以形成兩種應(yīng)用方案：一是4個(gè)串口配置相同波特率；二是每l組配置1個(gè)波特率值。
綜上所述，系統(tǒng)提供了由2組4個(gè)串口、兩級優(yōu)先級控制、2種波特率配置方案構(gòu)成的多串口實(shí)現(xiàn)方法。
4 工作原理
4.1 幀的統(tǒng)一化
系統(tǒng)4個(gè)串口源的數(shù)據(jù)要作為以太網(wǎng)幀的一部分，為了向設(shè)備提供透明的接口和區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)源，需要制定統(tǒng)一的幀格式。幀格式如圖2所示，其中串口號字段用來區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)源；幀頭、幀尾作為一個(gè)串口幀的起始分界(可自定義)；數(shù)據(jù)部分是來自串口的原始數(shù)據(jù)流。同樣，網(wǎng)口發(fā)送數(shù)據(jù)也要有一致的幀格式，如圖3所示。顯然，串口幀是作為UDP層的協(xié)議數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)摹?/p>
4．2系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向分析
多串口轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)串口和一個(gè)網(wǎng)口間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，關(guān)鍵是多個(gè)串口數(shù)據(jù)如何送到網(wǎng)絡(luò)上、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)又怎樣轉(zhuǎn)到多個(gè)串口。其中，串口鏈路層完成串口數(shù)據(jù)收發(fā)功能，串口網(wǎng)絡(luò)層作為TCP／IP應(yīng)用層的一部分，實(shí)現(xiàn)串口幀的封裝。發(fā)送是入?yún)f(xié)議棧的過程，如圖4所示，接收是出協(xié)議棧的過程(圖略)，不同之處在于對數(shù)據(jù)的收／發(fā)處理。
多串口到網(wǎng)口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸：串口鏈路層，接收來自測控設(shè)備的數(shù)據(jù)，交給串口網(wǎng)絡(luò)層，該層完成串口數(shù)據(jù)幀的封裝并放入以太網(wǎng)的發(fā)送緩沖區(qū)。當(dāng)系統(tǒng)規(guī)定的UDP打包時(shí)間到或已經(jīng)有4個(gè)串口數(shù)據(jù)幀時(shí)，打UDP包，并逐層下送，直到把數(shù)據(jù)送上物理介質(zhì)，完成比特流的傳輸。
為了能一次傳輸盡量多的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)長度作了嚴(yán)格定義：串口數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)段最大長度為300個(gè)字節(jié)；網(wǎng)口發(fā)送幀的數(shù)據(jù)段最多允許4個(gè)串口數(shù)據(jù)幀。同時(shí)，還要滿足具體應(yīng)用對實(shí)時(shí)性的要求：對每一個(gè)串口規(guī)定一個(gè)最長響應(yīng)時(shí)間。時(shí)間到時(shí)，不管是否已接收：300個(gè)字節(jié)都要對串口數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，并放人以太網(wǎng)發(fā)送緩沖區(qū)；同時(shí)，為了避免系統(tǒng)由于等待以太網(wǎng)發(fā)送緩沖區(qū)串口幀數(shù)達(dá)到4，而造成串口數(shù)據(jù)不能實(shí)時(shí)發(fā)送，要求在一定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行一次以太網(wǎng)通信，而不必等待4個(gè)串口幀到齊才打包傳輸。
這樣，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)容量和時(shí)間的雙重規(guī)定，能保證具體應(yīng)用對實(shí)時(shí)性的要求，并能一次傳輸盡量多的數(shù)據(jù)，降低了由于時(shí)間上的“空等”造成系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差的可能性。4個(gè)串口在串口層完成的功能是相同的，僅以COMl為例，給出串口層上數(shù)據(jù)
流，如圖5所示。
圖6說明了多串口數(shù)據(jù)幀等待打包傳輸?shù)倪^程。
網(wǎng)口數(shù)據(jù)到多串口的數(shù)據(jù)流向，是對以太網(wǎng)鏈路層的數(shù)據(jù)幀向上逐層解包的過程。如圖7所示，將收到的以太網(wǎng)幀，依次去掉每層的協(xié)議頭分解出應(yīng)用層數(shù)據(jù)，再以0x24和OxOa為分界分離，根據(jù)串口號字段的值，將信息發(fā)送到相應(yīng)的設(shè)備，完成預(yù)定的控制。
結(jié)語
本文介紹基于TCP／IP的多串口轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，采用GM8123芯片增加了串行口數(shù)目，適合要求入網(wǎng)串口設(shè)備多的場合。借助于該多串口網(wǎng)關(guān)，可方便的實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備和監(jiān)控層的透明數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化控制與信息的分布式管理，必能廣泛的應(yīng)用在基于以太網(wǎng)的分布式測控網(wǎng)絡(luò)中。和它類似的還有GM8125串口擴(kuò)展芯片，不過GM8125是一擴(kuò)五的串口擴(kuò)展芯片。