沈克宇，林錦瀘，李志俊，趙田芳，張 蕾

(武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430070)

目前工業(yè)領(lǐng)域中有大量的設(shè)備不具備以太網(wǎng)接口，但這些設(shè)備都提供RS－232串口或RS－422/485串口。RS－232只能提供近距離數(shù)據(jù)傳輸，且速度不高。RS－422/485雖然能提供遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，但卻是獨(dú)立于Internet之外，不便于網(wǎng)絡(luò)管理。而以太網(wǎng)有傳輸速度快，傳輸距離遠(yuǎn)，能夠?yàn)槿魏我慌_(tái)聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)提供監(jiān)控和數(shù)據(jù)存取服務(wù)［1］。為使傳統(tǒng)串口設(shè)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(kuò)展芯片SC28L198為核心構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)(串口服務(wù)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(zhuǎn)換。一方面，LM8962將SC28L198發(fā)送過(guò)來(lái)的串口數(shù)據(jù)打包成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，并通過(guò)自身的以太網(wǎng)控制器發(fā)往主機(jī);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(yīng)的串口設(shè)備號(hào)，然后通過(guò)SC28L198的相應(yīng)通道發(fā)往串口設(shè)備。筆者簡(jiǎn)化了復(fù)雜的硬件電路設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、高速度的單芯片多串口擴(kuò)展方案。采用該方案，能夠?qū)⒋谠O(shè)備虛擬成計(jì)算機(jī)的一個(gè)COM接口，用戶對(duì)串口設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作無(wú)需考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹?fù)雜性。

1 串口服務(wù)器硬件結(jié)構(gòu)

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(zhuǎn)換。

主控制器LM8962是由Luminary Micro公司開(kāi)發(fā)的一款基于ARM Cortex－M3 MCU內(nèi)核的32位微處理器。該處理器支持的最大主頻為50 MHz，具有嵌入式Flash和SRAM、運(yùn)動(dòng)控制PWM等內(nèi)部模塊。LM8962內(nèi)部集成了以太網(wǎng)控制器，結(jié)合了Bosch控制器局域網(wǎng)技術(shù)和10/100以太網(wǎng)媒體訪問(wèn)控制(MAC)以及物理(PHY)層，簡(jiǎn)化了該系統(tǒng)以太網(wǎng)連接的硬件電路設(shè)計(jì)。該微控制器使用了兼容ARM Thumb?的Thumb2指令集來(lái)減少存儲(chǔ)容量的需求，并以此達(dá)到降低成本的目的。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

UART器件SC28L198提供了8路相互獨(dú)立的全雙工異步通道，每路UART通過(guò)同步總線接口與主機(jī)進(jìn)行通信。每個(gè)通道的接收器和發(fā)送器均具有16個(gè)字符的FIFO，最大限度地減少了接收器超時(shí)的情況，使用用戶定義的Xon/Xoff字符可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)帶內(nèi)流量控制，在喚醒模式下可進(jìn)行地址識(shí)別。SC28L198同時(shí)還包括以下功能模塊:時(shí)序模塊，其中包含一個(gè)可產(chǎn)生22個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的波特率的通用波特率發(fā)生器和用來(lái)產(chǎn)生非標(biāo)準(zhǔn)波特率的2個(gè)16位計(jì)數(shù)器;I/O口控制模塊和狀態(tài)變化檢測(cè)器模塊;可仲裁24個(gè)中斷的中斷仲裁系統(tǒng)［2］。為了降低軟件開(kāi)銷(xiāo)，器件包含的中斷仲裁系統(tǒng)通過(guò)直接訪問(wèn)或修改中斷向量的方法來(lái)報(bào)告UART中斷的情況。報(bào)告的中斷上下文包括通道編號(hào)、器件中斷類型(接收器COS等)、發(fā)送器或接收器FIFO的填充點(diǎn)。

2 串口擴(kuò)展電路

圖2描述了具有8通道的串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的電路連接框圖。串口服務(wù)器的硬件由兩個(gè)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(jī)外部與內(nèi)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。

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(shí)鐘輸入下，可以產(chǎn)生22個(gè)50．0～230．4 k范圍內(nèi)的常用數(shù)據(jù)通信波特率。通常使用的外部晶振頻率為 3．686 4 MHz 和 7．372 8 MHz，在7．372 8 MHz工作頻率下產(chǎn)生的波特率是3．686 4 MHz下產(chǎn)生的兩倍。每個(gè)接收器和發(fā)送器可以工作在不同的波特率下，通過(guò)向波特率選擇寄存器寫(xiě)入不同的選擇代碼將產(chǎn)生不同的波特率。

SC28L198的系統(tǒng)時(shí)鐘(SCLK)可同時(shí)作為主機(jī)接口和其他內(nèi)部電路的基本時(shí)間基準(zhǔn)。為了確保內(nèi)部控制器的正確操作，提供的SCLK頻率必須大于X1晶體時(shí)鐘的2倍或任何外部的1X數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸入。由于LM8962芯片本身沒(méi)有提供時(shí)鐘信號(hào)輸出引腳，若由定時(shí)器中斷產(chǎn)生7．372 8 MHz以上頻率的方波信號(hào)將使LM8962頻繁處理中斷程序，影響程序執(zhí)行效率。當(dāng)SC28L198工作在50 MHz頻率下，其中的PWM硬件模塊最高可以產(chǎn)生25 MHz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(lái)。

在該系統(tǒng)中，需根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)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(jìn)行近距離全雙工通信，使用RS－422/485收發(fā)器能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。由于整個(gè)系統(tǒng)工作于3．3 V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(nèi)部集成的以太網(wǎng)控制器包含一個(gè)完整的MAC模塊和PHY接口器件，簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)。該以太網(wǎng)控制器完全支持10BASET和100BASE－TX標(biāo)準(zhǔn)以及遵守IEEE 802．3協(xié)議。整個(gè)系統(tǒng)連接以太網(wǎng)只需一個(gè)隔離變壓器，無(wú)需外接以太網(wǎng)控制芯片，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)。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(yuǎn)離外界的復(fù)雜信號(hào)。

3 軟件設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中，用戶可以對(duì)串口服務(wù)器的配置、狀態(tài)查詢和在計(jì)算機(jī)(客戶端)上通過(guò)以太網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)而操作該串口服務(wù)器。在客戶端上，8個(gè)SC28L198的通道被虛擬成8個(gè)COM接口。操作這些虛擬COM接口就如同操作計(jì)算機(jī)上的物理COM接口，因此用戶不必知道數(shù)據(jù)是通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸。實(shí)際上，用戶操作這些COM接口時(shí)，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(guò)SC28L198的相應(yīng)通道發(fā)送到設(shè)備上。串口服務(wù)器使用ARM處理器LM8962作為嵌入式設(shè)備的核心器件，在其上運(yùn)行μC/OS－II操作系統(tǒng)來(lái)打開(kāi)、關(guān)閉和管理8個(gè)串行通道的相應(yīng)進(jìn)程。因此，8個(gè)串行通道能夠同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)而不相互影響。

3．1 μC/OS －II

μC/OS－II是免費(fèi)開(kāi)源、專門(mén)為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它包括任務(wù)計(jì)劃、任務(wù)管理、時(shí)間管理、內(nèi)存管理、任務(wù)間的通信以及其他一些基本功能［3］。在該系統(tǒng)中采用 μC/OS－II來(lái)實(shí)現(xiàn)以下功能:

(1)建立一個(gè)消息隊(duì)列來(lái)存儲(chǔ)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(gè)任務(wù)來(lái)管理UDP通信，并通過(guò)以太網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù);

(4)建立一個(gè)任務(wù)來(lái)管理串口通道收發(fā)任務(wù)與UDP通信任務(wù)之間的通信。

3．2 TCP/IP 模塊

TCP/IP協(xié)議具有分層結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀進(jìn)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(wù)，但UDP協(xié)議相對(duì)簡(jiǎn)單，比起TCP協(xié)議更能夠提供實(shí)時(shí)和快速的數(shù)據(jù)傳輸［4－5］。在正常的運(yùn)行過(guò)程中，該TCP/IP程序模塊能夠從數(shù)據(jù)隊(duì)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(huì)通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送到計(jì)算機(jī)中。與此同時(shí)，該程序模塊還將從以太網(wǎng)接收到的數(shù)據(jù)解包出來(lái)，將其中的串口通道號(hào)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

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(dāng)SC28L198中的某個(gè)接口通道接收到串口設(shè)備的一幀數(shù)據(jù)時(shí)，這些數(shù)據(jù)將被送往數(shù)據(jù)隊(duì)列，同時(shí)保存相應(yīng)的串口通道號(hào)。當(dāng)打包時(shí)間到了規(guī)定的時(shí)間或者打包的串口數(shù)據(jù)已經(jīng)達(dá)到規(guī)定的最大長(zhǎng)度(200字節(jié))時(shí)，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(dāng)該系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)接收到主機(jī)發(fā)來(lái)的一幀數(shù)據(jù)或命令時(shí)，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(hào)，將分離出的串口數(shù)據(jù)幀發(fā)送到對(duì)應(yīng)的串口通道［6－7］。

3．4 初始化程序

圖3 串口數(shù)據(jù)接收流程 圖4 串口數(shù)據(jù)發(fā)送流程

在整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)始工作之前，程序必須對(duì)SC28L198中的每個(gè)通道進(jìn)行初始化。ARM處理器LM8962通過(guò)向SC28L198的寄存器寫(xiě)入命令來(lái)完成整個(gè)初始化過(guò)程。為了保證LM8962與串口設(shè)備之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤，串口服務(wù)器需要規(guī)定每個(gè)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(zhǎng)度、停止位和校驗(yàn)位等。整個(gè)初始化過(guò)程的程序如下［8－10］:

void UART_Init(void){

uchar channel;

UART_WR(GCCR，0x06);/*全局配置*/

UART_WR(CR(0)，0xF8);/*重啟芯片*/

UART_WR(ICR，0x00);/*設(shè)置中斷水平*/

UART_WR(IVR，0x00);/*設(shè)置中斷仲裁門(mén)檻*/

for(channel=0;channel＜8;channel++){

UART_WR(MR0(channel)，0xC0);/*無(wú)流量控制*/

UART_WR(MR1(channel)，0x77);/*設(shè)置數(shù)據(jù)格式*/

UART_WR(MR2(channel)，0x00);/*普通模式*/

UART_WR(RXCSR(channel)，0x0E);/*設(shè)置接收波特率*/

UART_WR(TXCSR(channel)，0x0E);/*設(shè)置發(fā)送波特率*/

UART_WR(CR(channel)，0x28);/*鎖住收發(fā)器*/

UART_WR(IMR(channel)，0x03);/*開(kāi)啟Tx和Rx*/

}

}

4 結(jié)論

筆者研究了基于SC28L198的多串口以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，采用μC/OS－II操作系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、高效的數(shù)據(jù)傳輸，為 RS232/422/485設(shè)備提供了方便快捷的以太網(wǎng)連接。該系統(tǒng)能夠?yàn)榇谠O(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控、管理，以及遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)服務(wù)。

［1］ 李超．嵌入式串口服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］．武漢:武漢理工大學(xué)圖書(shū)館，2009．

［2］ 李建國(guó)．串口/以太網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)［J］．機(jī)械研究與應(yīng)用，2004，17(1):83 －84．

［3］ Philips Semiconductors．Product data sheet［EB/OL］．［2010 －10 －23］．http://www．cn．nxp．com/acrobat/datasheets/SC28L198_6．pdf

［4］ JEAN J L．嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) μC/OS－II［M］．邵貝貝，譯．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003:18－30．

［5］ 李志俊，楊佳，沈克宇，等．基于C8051的船用以太網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)［J］．湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29(1):80－82．

［6］ 范煒，徐洪澤．基于TCP/IP協(xié)議的嵌入式多串口網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)［J］．計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2008，29(1):80－82．

［7］ 葉慶云，陳華兵．基于ARM的無(wú)線家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):信息與管理工程版，2006，28(7):112－116．

［8］ RICHARD S W．TCP/IP詳解［M］．范建華，胥光輝，張濤，譯．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004:17－83．

［9］ 唐偉，周祖德．基于嵌入式智能家居系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):信息與管理工程版，2009，31(3):391－394．

［10］ 趙研，谷弘毅．基于ARM的以太網(wǎng)通信控制器［J］．長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，33(2):147－151．