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多串口转换嵌入式串口网关的设计方案
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2017-10-16
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引言
Internet 技术的广泛普及，全球各个领域的不同企业已经对“让设备联网”达成共识，而在工业控制和通信设备中，更多的却是符合RS232 标准的串行口设备。如何将多个串行口的数据转发到网络上，实现设备的远程控制、数据的远程传输便成了一个亟待解决的问题。同时，考虑到成本问题，以往设备又不可能全部淘汰。因此，本文提出一种嵌入式网关可从根本上解决这一难题。多串口转换网关使得串口数据流到以太网数据流的传输成为可能。它能连接多个RS232 串口设备，并将串口数据进行选择和处理，把RS232 接口的数据流转化成以太网数据流，这样就可以进行网络化的数据处理，实现串行数据的网络化。采用此种方案，无需淘汰原有串口设备，多台设备可同时入网，既可以提高设备利用率，GM8142 可实现低成本、较高速度、控制简单的多串口方案。
系统结构
TCP/IP 协议由应用层、UDP 层、IP 层和数据链路层组成。为了实现透明传输，增加应用进程协议层——串口层。串口层由串口链路层和串口网络层构成。网关在串口层构建，同时解析RS232 数据包，并作为TCP/IP网络应用层的数据传输。多串口网关由TCP/IP协议转换模块和多串口收发控制模块组成，结构如图1 所示。
又节约组网费用，还可在已有的网络基础上简化布线复杂度。采用串口扩展芯片
图1 系统结构
根据实现的功能，系统主要由以下两部分组成：
（1）TCP/IP 协议转换模块：它是一个微型的以太网接入模块，由微控制器、网络隔离变压器（ HR601680 ）、SDRAM （ HY57V561620T ）、NOR-FLASH（AM29LV320DB）等组成。来自客户端的数据信息通过RJ45 以太网接口，网路接口芯片传送给微控制器，微控制器通过内嵌的TCP/IP协议栈，实现地址解析协议（ARP）、Internet 控制报文协议（ICMP）、IP 协议、用户数据报协议（UDP）等协议的解析和封包。在正常运行时，TCP/IP 协议转换模块的任务主要是将以太网发送缓冲区的串口帧封装在UDP 包中，并传给IP 层；同时，接收以太网数据帧并向上层层解包，分离应用层数据，然后数据的解析处理交由多串口发送模块完成，实现RS232 串口流与以太网端口流的透明转换。
（2）串口数据处理模块：它是一个多（最多32个）RS232 串口数据流的收/发控制模块，由微控制器、串口扩展芯片（GM8142）、MAX232 等元件组成。微控制器与GM8142 共同完成对多串口数据收发的控制：一方面接收多个串口源数据，封装后写入以太网发送缓冲区打包传输；同时，接收以太网应用层的数据，解析并从串口发出。对于串口处理模块来说，通信数据的具体形式并不重要，它的任务主要是接收/发送，封装/拆封串口帧，为网关提供通用接口。
设计方案
微控制器是网关的两大模块的中枢，通过微控制器，网关实现了通信协议的转换。
（1）TCP/IP 协议转换模块：图1 微控制器的左半部分：从RJ45 接头输入的10 M/100M以太网双差分数据信息通过网络隔离变压器很好的将模拟地与数字地隔离，从而保证了数据的有效性和外界复杂信号对微控制器的直接冲击。
（2） 串口处理模块：如图1 微控制器的右半部分：串口数据从32 个串行端口独立输入或输出，标准串口的RS232 电平与TTL 电平通MAX232 相互转化。值得注意的是所有低速串行接口均采用RJ45 接口，而且为了保证数据的传输速度，在实际应用中只使用了TXD，RXD，GND信号，避免了其它握手信号。
对于多串口的设计，采用串口扩展芯片GM8142，结合强大的SPI性能，完成了32 个独立于系统固有串口（DB9 接口） 的扩展。每片GM8142 能提供4 个独立的串行口，该网关设计中采用8 片GM8142，每片GM8142 的片选信号又通过3-8 译码器74LV138 连接到微控制器的3个独立的SPI 接口上，另外，每片GM8142 所必需的中断信号通过强上拉（4.7K）连接到微控制器的标准IO上，这样，串口处理模块搭建完成。
当两片或多片GM8142 所管理的串口同时产生数据请求时，微控制器会根据事先设定好的MCU中断机制判断中断请求的优先级，对优先级高的中断请求优先响应。当同一片GM8142 的不同串行口同时产生中断请求时，在LINUX下，通过对该字符设备驱动程序的编写，可使微控制器在SPI 上得到相应端口的编号并及时清除中断，然后，再次根据用户事先设定好的中断优先级处理中断。这样，所有的扩展串行接口均能按用户事先设定好的中断优先级完成对串口的控制。
系统的32 个扩展串口均能工作在独立波特率的独立场合，在速率上，它们均能单独稳定运行在115200BPS以内的任何波特率上，但若32 个串口同时双向并且以115200BPS 的速率运行时应考虑MCU 的处理能力。综上所述，系统提供了32 个串口、可自定义优先级控制、波特率配置方案的多串口实现方法。
（3）软件设计：系统要求用户能够在Windows 环境下（客户端）通过以太网对远端串口设备进行配置、状态查询并且发送和接收数据。这整个过程就像是直接对串口进行操作，用户无需感知是通过以太网进行的数据传输。为了达到以上目的，网关依靠以PIC32处理器为核心的嵌入式系统平台，在其上运行Linux 操作系统，为各个串口设备提供独立的打开，关闭，及监听线程，使串口设备完全独立运行。在用户端，用户对串口的操作实际上是通过socket 编程发送命令或数据给PIC32处理器，供其解析并最终直接控制串口完成。以COMn（n《32）的监听线程为例，给出串口层上数据流。
Internet 技术的广泛普及，全球各个领域的不同企业已经对“让设备联网”达成共识，而在工业控制和通信设备中，更多的却是符合RS232 标准的串行口设备。如何将多个串行口的数据转发到网络上，实现设备的远程控制、数据的远程传输便成了一个亟待解决的问题。同时，考虑到成本问题，以往设备又不可能全部淘汰。因此，本文提出一种嵌入式网关可从根本上解决这一难题。多串口转换网关使得串口数据流到以太网数据流的传输成为可能。它能连接多个RS232 串口设备，并将串口数据进行选择和处理，把RS232 接口的数据流转化成以太网数据流，这样就可以进行网络化的数据处理，实现串行数据的网络化。采用此种方案，无需淘汰原有串口设备，多台设备可同时入网，既可以提高设备利用率，GM8142 可实现低成本、较高速度、控制简单的多串口方案。
系统结构
TCP/IP 协议由应用层、UDP 层、IP 层和数据链路层组成。为了实现透明传输，增加应用进程协议层——串口层。串口层由串口链路层和串口网络层构成。网关在串口层构建，同时解析RS232 数据包，并作为TCP/IP网络应用层的数据传输。多串口网关由TCP/IP协议转换模块和多串口收发控制模块组成，结构如图1 所示。
又节约组网费用，还可在已有的网络基础上简化布线复杂度。采用串口扩展芯片
图1 系统结构
根据实现的功能，系统主要由以下两部分组成：
（1）TCP/IP 协议转换模块：它是一个微型的以太网接入模块，由微控制器、网络隔离变压器（ HR601680 ）、SDRAM （ HY57V561620T ）、NOR-FLASH（AM29LV320DB）等组成。来自客户端的数据信息通过RJ45 以太网接口，网路接口芯片传送给微控制器，微控制器通过内嵌的TCP/IP协议栈，实现地址解析协议（ARP）、Internet 控制报文协议（ICMP）、IP 协议、用户数据报协议（UDP）等协议的解析和封包。在正常运行时，TCP/IP 协议转换模块的任务主要是将以太网发送缓冲区的串口帧封装在UDP 包中，并传给IP 层；同时，接收以太网数据帧并向上层层解包，分离应用层数据，然后数据的解析处理交由多串口发送模块完成，实现RS232 串口流与以太网端口流的透明转换。
（2）串口数据处理模块：它是一个多（最多32个）RS232 串口数据流的收/发控制模块，由微控制器、串口扩展芯片（GM8142）、MAX232 等元件组成。微控制器与GM8142 共同完成对多串口数据收发的控制：一方面接收多个串口源数据，封装后写入以太网发送缓冲区打包传输；同时，接收以太网应用层的数据，解析并从串口发出。对于串口处理模块来说，通信数据的具体形式并不重要，它的任务主要是接收/发送，封装/拆封串口帧，为网关提供通用接口。
设计方案
微控制器是网关的两大模块的中枢，通过微控制器，网关实现了通信协议的转换。
（1）TCP/IP 协议转换模块：图1 微控制器的左半部分：从RJ45 接头输入的10 M/100M以太网双差分数据信息通过网络隔离变压器很好的将模拟地与数字地隔离，从而保证了数据的有效性和外界复杂信号对微控制器的直接冲击。
（2） 串口处理模块：如图1 微控制器的右半部分：串口数据从32 个串行端口独立输入或输出，标准串口的RS232 电平与TTL 电平通MAX232 相互转化。值得注意的是所有低速串行接口均采用RJ45 接口，而且为了保证数据的传输速度，在实际应用中只使用了TXD，RXD，GND信号，避免了其它握手信号。
对于多串口的设计，采用串口扩展芯片GM8142，结合强大的SPI性能，完成了32 个独立于系统固有串口（DB9 接口） 的扩展。每片GM8142 能提供4 个独立的串行口，该网关设计中采用8 片GM8142，每片GM8142 的片选信号又通过3-8 译码器74LV138 连接到微控制器的3个独立的SPI 接口上，另外，每片GM8142 所必需的中断信号通过强上拉（4.7K）连接到微控制器的标准IO上，这样，串口处理模块搭建完成。
当两片或多片GM8142 所管理的串口同时产生数据请求时，微控制器会根据事先设定好的MCU中断机制判断中断请求的优先级，对优先级高的中断请求优先响应。当同一片GM8142 的不同串行口同时产生中断请求时，在LINUX下，通过对该字符设备驱动程序的编写，可使微控制器在SPI 上得到相应端口的编号并及时清除中断，然后，再次根据用户事先设定好的中断优先级处理中断。这样，所有的扩展串行接口均能按用户事先设定好的中断优先级完成对串口的控制。
系统的32 个扩展串口均能工作在独立波特率的独立场合，在速率上，它们均能单独稳定运行在115200BPS以内的任何波特率上，但若32 个串口同时双向并且以115200BPS 的速率运行时应考虑MCU 的处理能力。综上所述，系统提供了32 个串口、可自定义优先级控制、波特率配置方案的多串口实现方法。
（3）软件设计：系统要求用户能够在Windows 环境下（客户端）通过以太网对远端串口设备进行配置、状态查询并且发送和接收数据。这整个过程就像是直接对串口进行操作，用户无需感知是通过以太网进行的数据传输。为了达到以上目的，网关依靠以PIC32处理器为核心的嵌入式系统平台，在其上运行Linux 操作系统，为各个串口设备提供独立的打开，关闭，及监听线程，使串口设备完全独立运行。在用户端，用户对串口的操作实际上是通过socket 编程发送命令或数据给PIC32处理器，供其解析并最终直接控制串口完成。以COMn（n《32）的监听线程为例，给出串口层上数据流。
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