引言

Internet 技術的廣泛普及，全球各個領域的不同企業(yè)已經對“讓設備聯(lián)網”達成共識，而在工業(yè)控制和通信設備中，更多的卻是符合RS232 標準的串行口設備。如何將多個串行口的數(shù)據轉發(fā)到網絡上，實現(xiàn)設備的遠程控制、數(shù)據的遠程傳輸便成了一個亟待解決的問題。同時，考慮到成本問題，以往設備又不可能全部淘汰。因此，本文提出一種嵌入式網關可從根本上解決這一難題。多串口轉換網關使得串口數(shù)據流到以太網數(shù)據流的傳輸成為可能。它能連接多個RS232 串口設備，并將串口數(shù)據進行選擇和處理，把RS232 接口的數(shù)據流轉化成以太網數(shù)據流，這樣就可以進行網絡化的數(shù)據處理，實現(xiàn)串行數(shù)據的網絡化。采用此種方案，無需淘汰原有串口設備，多臺設備可同時入網，既可以提高設備利用率，GM8142 可實現(xiàn)低成本、較高速度、控制簡單的多串口方案。

系統(tǒng)結構

TCP/IP 協(xié)議由應用層、UDP 層、IP 層和數(shù)據鏈路層組成。為了實現(xiàn)透明傳輸，增加應用進程協(xié)議層——串口層。串口層由串口鏈路層和串口網絡層構成。網關在串口層構建，同時解析RS232 數(shù)據包，并作為TCP/IP網絡應用層的數(shù)據傳輸。多串口網關由TCP/IP協(xié)議轉換模塊和多串口收發(fā)控制模塊組成，結構如圖1 所示。

又節(jié)約組網費用，還可在已有的網絡基礎上簡化布線復雜度。采用串口擴展芯片

圖1 系統(tǒng)結構

根據實現(xiàn)的功能，系統(tǒng)主要由以下兩部分組成：

(1)TCP/IP 協(xié)議轉換模塊：它是一個微型的以太網接入模塊，由微控制器、網絡隔離變壓器( HR601680 )、SDRAM ( HY57V561620T )、NOR-FLASH(AM29LV320DB)等組成。來自客戶端的數(shù)據信息通過RJ45 以太網接口，網路接口芯片傳送給微控制器，微控制器通過內嵌的TCP/IP協(xié)議棧，實現(xiàn)地址解析協(xié)議(ARP)、Internet 控制報文協(xié)議(ICMP)、IP 協(xié)議、用戶數(shù)據報協(xié)議(UDP)等協(xié)議的解析和封包。在正常運行時，TCP/IP 協(xié)議轉換模塊的任務主要是將以太網發(fā)送緩沖區(qū)的串口幀封裝在UDP 包中，并傳給IP 層；同時，接收以太網數(shù)據幀并向上層層解包，分離應用層數(shù)據，然后數(shù)據的解析處理交由多串口發(fā)送模塊完成，實現(xiàn)RS232 串口流與以太網端口流的透明轉換。

(2)串口數(shù)據處理模塊：它是一個多(最多32個)RS232 串口數(shù)據流的收/發(fā)控制模塊，由微控制器、串口擴展芯片(GM8142)、MAX232 等元件組成。微控制器與GM8142 共同完成對多串口數(shù)據收發(fā)的控制：一方面接收多個串口源數(shù)據，封裝后寫入以太網發(fā)送緩沖區(qū)打包傳輸；同時，接收以太網應用層的數(shù)據，解析并從串口發(fā)出。對于串口處理模塊來說，通信數(shù)據的具體形式并不重要，它的任務主要是接收/發(fā)送，封裝/拆封串口幀，為網關提供通用接口。

設計方案

微控制器是網關的兩大模塊的中樞，通過微控制器，網關實現(xiàn)了通信協(xié)議的轉換。

(1)TCP/IP 協(xié)議轉換模塊：圖1 微控制器的左半部分：從RJ45 接頭輸入的10 M/100M以太網雙差分數(shù)據信息通過網絡隔離變壓器很好的將模擬地與數(shù)字地隔離，從而保證了數(shù)據的有效性和外界復雜信號對微控制器的直接沖擊。

(2) 串口處理模塊：如圖1 微控制器的右半部分：串口數(shù)據從32 個串行端口獨立輸入或輸出，標準串口的RS232 電平與TTL 電平通MAX232 相互轉化。值得注意的是所有低速串行接口均采用RJ45 接口，而且為了保證數(shù)據的傳輸速度，在實際應用中只使用了TXD，RXD，GND信號，避免了其它握手信號。

對于多串口的設計，采用串口擴展芯片GM8142，結合強大的SPI性能，完成了32 個獨立于系統(tǒng)固有串口(DB9 接口) 的擴展。每片GM8142 能提供4 個獨立的串行口，該網關設計中采用8 片GM8142，每片GM8142 的片選信號又通過3-8 譯碼器74LV138 連接到微控制器的3個獨立的SPI 接口上，另外，每片GM8142 所必需的中斷信號通過強上拉(4.7K)連接到微控制器的標準IO上，這樣，串口處理模塊搭建完成。

當兩片或多片GM8142 所管理的串口同時產生數(shù)據請求時，微控制器會根據事先設定好的MCU中斷機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。當同一片GM8142 的不同串行口同時產生中斷請求時，在LINUX下，通過對該字符設備驅動程序的編寫，可使微控制器在SPI 上得到相應端口的編號并及時清除中斷，然后，再次根據用戶事先設定好的中斷優(yōu)先級處理中斷。這樣，所有的擴展串行接口均能按用戶事先設定好的中斷優(yōu)先級完成對串口的控制。

系統(tǒng)的32 個擴展串口均能工作在獨立波特率的獨立場合，在速率上，它們均能單獨穩(wěn)定運行在115200BPS以內的任何波特率上，但若32 個串口同時雙向并且以115200BPS 的速率運行時應考慮MCU 的處理能力。綜上所述，系統(tǒng)提供了32 個串口、可自定義優(yōu)先級控制、波特率配置方案的多串口實現(xiàn)方法。

(3)軟件設計：系統(tǒng)要求用戶能夠在Windows 環(huán)境下(客戶端)通過以太網對遠端串口設備進行配置、狀態(tài)查詢并且發(fā)送和接收數(shù)據。這整個過程就像是直接對串口進行操作，用戶無需感知是通過以太網進行的數(shù)據傳輸。為了達到以上目的，網關依靠以PIC32處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)平臺，在其上運行Linux 操作系統(tǒng)，為各個串口設備提供獨立的打開，關閉，及監(jiān)聽線程，使串口設備完全獨立運行。在用戶端，用戶對串口的操作實際上是通過socket 編程發(fā)送命令或數(shù)據給PIC32處理器，供其解析并最終直接控制串口完成。以COMn(n<32)的監(jiān)聽線程為例，給出串口層上數(shù)據流。如圖1所示。

圖1 服務器端監(jiān)聽線程數(shù)據流

結束語

本文介紹了基于TCP/IP 的多串口轉換網關，采用GM8142芯片擴展了串行口數(shù)目，較好的適應了，低速，多串口的工業(yè)場合，實現(xiàn)了串口設備和監(jiān)控層透明數(shù)據傳輸，以及設備的網絡化控制及信息的分布式管理，能夠廣泛的應用在基于以太網的分布式測控網絡中。