嵌入式串口服务器的设计方案深度探究

项目背景及可行性分析
　　项目名称、项目的主要内容及目前的进展情况
　　项目名称：基于MicroBlaze的嵌入式串口服务器的实现
　　项目的主要内容：本作品将要实现一个串口服务器，它有2个串口，每个串口可以连接一个需要服务的对象，比如门禁，消防，火警，马达，灯光，空气等各样需要监测的终端。为了便于实现和演示，我们采用的监测终端为灯光，微型电机，温度和红外开关。将这些数据通过终端微控制器（单片机等）采集后通过RS232传送给串口服务器转换为IP数据包，通过以太网发送到网络上。
　　目前的进展情况：开始做数据采集板（单片机系统）
　　项目关键技术及创新点的论述；
　　随着串口转换设备的发展和Internet的广泛普及，出现了类似于以太网交换设备的串口服务器，可以把提供RS232／485／422接口的终端装置集中组网，然后通过以太网接口与上位机组成以太网，“让全部设备连接网络”已经成为全世界企业的共识。
　　为了能跟上网络自动化的潮流，不至于失去竞争优势，必须建立高品位的数据采集、生产监控、即时成本管理的联网系统。利用基于TCP/IP的串口数据流传输的实现来控制管理的设备硬件，无需投资大量的人力、物力来进行管理、更换或者升级。
　　串口服务器就使得基于TCP/IP的串口数据流传输成为了可能，它能将多个串口设备连接并能将串口数据流进行选择和处理，把现有的RS 232接口的数据转化成IP端口的数据，然后进行IP化的管理，IP化的数据存取，这样就能将传统的串行数据送上流行的IP通道，而无需过早淘汰原有的设备，从而提高了现有设备的利用率，节约了投资，还可在既有的网络基础上简化布线复杂度。在制定设计方案和选定器件时遇到的技术难点是如何利用处理器对串口数据信息进行TCP/IP协议处理，使之变成可以在互联网上传输的IP数据包。
　　目前解决这个问题很多时候采用32位MCU + RTOS方案，在嵌入式系统中实现TCP/IP的协议处理。它的缺点是：1：对于需要改造的的设备数量一般不确定，难以找到具有合适的外设的cpu刚好来匹配，普通cpu一般功能较齐全，但是对于串口服务器而言，很多功能成为多余，而所需的功能却有限。2：一般的cpu都不具备可更改外设功能，想升级就只能再加一个系统或者全部更换，势必使成本大幅上升。3：由于硬件系统还涉及到数据线／地址线复用、串并转换、器件中断信号译码、时钟信号生成、控制信号接入等功能，若是选用不同的器件来完成，势必会造成许多诸如时延不均等问题，所以往往还需要用了一片大容量的高性能可编程逻辑器件来完成上述所提到的功能。
　　那么现在采用带MicroBlaze软核处理器的FPGA系统就能克服上面的缺点，MicroBlaze软核可以根据需要进行配置，既可以配置成功能齐全但外设数量有限的内核，也可以配置成功能单一，但是外设数量较多的内核。这样，针对大部分的应用场合都有很好的适应性，更方便升级，只需再配置相应数量的外设即可。很明显无需额外增加可编程逻辑器件，Spartan™-3本身就是功能强大、性能优异的可编程逻辑器件，系统的集成度得到很大提高。
　　技术成熟性和可靠性论述：
　　目前解决这个问题低档采用51单片机或者16位的单片机，但是功能相
　　对简单和单一，一般没有实时操作系统进行多任务管理。高档的多采用32位MCU + RTOS方案，主要是采用ARM系列，在嵌入式系统中实现TCP/IP的协议处理。而近年随着FPGA的大力发展，出现了软核处理器，具备高度的可编程能力和可配置性，大大增强了系统的设计灵活性，使得我们构建硬件环境非常方便，不用过多顾虑处理器的资源不合适或者不够用，可以把主要精力放在软件开发和功能实现上。极大缩短开发周期。
　　高性价比的Spartan™-3芯片可以在片内实现MicroBlaze CPU，集成2组UART接口，数据线／地址线复用、串并转换、器件中断信号译码、时钟信号生成、控制信号接入等功能，一片FPGA就可以轻松完成上述所提到的功能。这种高度集成系统使得抗干扰能力大大增强，减小电路板体积，同时通信速率和稳定性得到很大提高。
　　最重要的是当应用系统硬件需要扩充或者升级时，基于FPGA的MicroBlaze系统很容易就实现，因为它有优异的配置性能。应用程序需要升级时，只需在uclinux嵌入式操作系统的基础上添加相应的驱动和应用程序就可以了，实现方便。所以可以这么说，基于FPGA的MicroBlaze系统本身就是为了适应灵活定制，系统集成，方便升级而出现的。
　　项目实施方案
　　1.方案基本功能框图及描述
　　用框图的方式并加以简单的描述简述实施本项目的技术方案。
　　系统框架图：
　　
　　软件结构图：
　　
　　2.需要的开发平台
　　实现本方案所需要的基本功能、功能、接口
　　基本功能和接口：RS232，Ethernet，LCD，软核处理器
　　所需要的目标FPGA开发平台，简述为什么需要此平台
　　是否需要其它配套的开发工具
　　Spartan 3E开发平台。
　　首先平台需要支持MicroBlaze软核处理器。串口至少需要2个或者以上。有LCD显示，支持以太网，低功耗。需要单片机数据采集子系统至少2套。
　　2.方案实施过程中需要开发的模块
　　在本方案中需要研制、开发的功能主要模块，以及开发的方式
　　单片机数据采集子系统，没有的话，就自行开发，自己做板，能提供更好。
　　3.系统最终要达到的性能指标
　　论述本项目最终完成时所设想达到的目标。
　　1．有一个简易的显示系统。
　　2．能显示IP化的数据包。
　　3．在uclinux嵌入式操作系统管理下同时处理多个数据采集子系统。
　　需要的其它资源
　　1.设计输入输出功能子板
　　子板功能描述、接口说明、时间、方式
　　子板功能：作为数据采集系统，然后送入FPGA处理。
　　接口说明：RS232
　　2.测试设备
　　列出在方案实施过程中所需要的测试设备（万用表、示波器、频谱仪、逻辑分析仪等）
　　万用表、示波器、电脑
　　3.方针、开发工具
　　列出在方案实施过程中所需要的仿真、开发工具等。
　　Keil 和ISE、modelsim