实现基于TCP／IP的多串口转换网关

实现基于TCP／IP的多串口转换网关

随着企业规模的扩大和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，本文提出一种基于TCP／IP的多串口转换网关，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，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GM8123可实现低成本、较高速度、控制简单的多串口方案。

1  系统应用方案

在企业自动化系统中，上层企业管理层和生产监控层一般都采用以太网和PC机，而下层车间现场多是RS232串口的测控设备。本文提出的多串口转换网关，能够方便实现上下两层的沟通。

可连接多台串口设备是本系统最大的特点，避免了为每台设备配置一个网关带来的成本较高、组网复杂的弊端。

2  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。

 

(1)TCP／lP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(MCU)、网卡接口芯片、EEPROM 93C46、片外512 KBSRAM芯片IS6lLV5128以及辅助元件构成。微控制器控制网卡接口芯片进行网络通信，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。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)多串口收发控制模块

 

实现多个RS232串口数据流的收／发控制，包括微控制器、串口扩展芯片(GM8123)、MAX232等元件。微控制器控制GM8123完成多串口数据收发，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，解析并发送给测控设备。它不关心通信数据的具体意义，只负责接收／发送，封装／拆封串口帧，提供通用接口。

3  多串口实现
 

3.1  实现方案——采用串口扩展芯片

在微控制器中有2个UART的基础上，采用GM8123，系统能提供2组(UARTO、UARTl)共4个串行口(COM1、COM2、C0M3、COM4)，利用两级优先级控制UARTO和UARTl的中断请求且允许嵌套。在UARTO的中断例程内部，通过查询方式确定数据源是哪个子串口。

 

当两组串口同时有数据请求时，首先，MCU的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。系统对优先级分配：UART0为2，UARTl为1，即MCU优先响应UART0的中断请求。当UARTO的3个子口同时有数据请求时，通过轮询方式，对各个子口予以响应，即按照子口号的地址由小到大进行响应。这样，就形成了2级中断和4个串口的多串口实现方案。

 

3.2  多串口扩展芯片——GM8123

GM8123可将一个全双工的标准串口扩展成3个标准串口，并能通过外部引脚控制。选用该芯片是基于它的自身特点：

①采用写控制字的方式对芯片进行控制，控制简单；

②数据格式10位或11位可选；

③拥有3个子串口．且各子串口波特率可调(统一调节)；

④两种模式(单道模式和多道模式)可通过1根引脚控制；

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分频；

⑥在多通道工作模式下，接收时地址线SRADD1～0向MCU返回接收子通道的地址，MCU接收到母串口送来的数据后，就可根据SRADDl～0状态判断数据是从哪一个子串口送来的，发送时先由MCU选择子串口再向母串口发送数据；

⑦与标准串口通信格式兼容，TTL电平输出；

⑧每位采样16次，提高数据正确性；

⑨宽工作电压为2．3～6．7 V。

⑩输入地址引脚有50～80 kΩ下拉电阻，其他输入

引脚有50～80 kΩ上拉电阻(OSCI除外)。

 

3.3各串口的特点及应用分析

 系统中两组串口利用的资源不同，在速率上它们之间存在差异。串口COMl、COM2和COM3通过GM8123扩展微控制器的UARTO得到，适合传输速率较慢、数据量小的设备；COM4是微控制器的UARTl，相对于第一组串口能很好的适应传输速率较快的设备。
 

 

GM8123工作在多道模式，各子串口必须设置统一波特率，不适用于各串口设备工作波特率不一致、又要求同时工作的场合，这也是该芯片的不足之处。实际应用中，COM1、COM2和COM3应该连接类型、速率相同的设备。COM4的波特率可以根据需求具体配置，这样，系统的4个串口从速率上可以形成两种应用方案：一是4个串口配置相同波特率；二是每l组配置1个波特率值。
 

综上所述，系统提供了由2组4个串口、两级优先级控制、2种波特率配置方案构成的多串口实现方法。

 

4  工作原理

4.1  帧的统一化 

系统4个串口源的数据要作为以太网帧的一部分，为了向设备提供透明的接口和区分数据源，需要制定统一的帧格式。帧格式如图2所示，其中串口号字段用来区分数据源；帧头、帧尾作为一个串口帧的起始分界(可自定义)；数据部分是来自串口的原始数据流。同样，网口发送数据也要有一致的帧格式，如图3所示。显然，串口帧是作为UDP层的协议数据进行传输的。

 4．2系统数据流向分析

多串口转换网关，实现多个串口和一个网口间的数据转换，关键是多个串口数据如何送到网络上、网络数据又怎样转到多个串口。其中，串口链路层完成串口数据收发功能，串口网络层作为TCP／IP应用层的一部分，实现串口帧的封装。发送是入协议栈的过程，如图4所示，接收是出协议栈的过程(图略)，不同之处在于对数据的收／发处理。

多串口到网口的数据转换传输：串口链路层，接收来自测控设备的数据，交给串口网络层，该层完成串口数据帧的封装并放入以太网的发送缓冲区。当系统规定的UDP打包时间到或已经有4个串口数据帧时，打UDP包，并逐层下送，直到把数据送上物理介质，完成比特流的传输。

为了能一次传输尽量多的数据，系统对数据长度作了严格定义：串口数据帧的数据段最大长度为300个字节；网口发送帧的数据段最多允许4个串口数据帧。同时，还要满足具体应用对实时性的要求：对每一个串口规定一个最长响应时间。时间到时，不管是否已接收：300个字节都要对串口数据进行封装，并放人以太网发送缓冲区；同时，为了避免系统由于等待以太网发送缓冲区串口帧数达到4，而造成串口数据不能实时发送，要求在一定的时间内进行一次以太网通信，而不必等待4个串口帧到齐才打包传输。

这样，系统对数据容量和时间的双重规定，能保证具体应用对实时性的要求，并能一次传输尽量多的数据，降低了由于时间上的“空等”造成系统实时性差的可能性。4个串口在串口层完成的功能是相同的，仅以COMl为例，给出串口层上数据

流，如图5所示。

图6说明了多串口数据帧等待打包传输的过程。
 

网口数据到多串口的数据流向，是对以太网链路层的数据帧向上逐层解包的过程。如图7所示，将收到的以太网帧，依次去掉每层的协议头分解出应用层数据，再以0x24和OxOa为分界分离，根据串口号字段的值，将信息发送到相应的设备，完成预定的控制。

结语

本文介绍基于TCP／IP的多串口转换网关，采用GM8123芯片增加了串行口数目，适合要求入网串口设备多的场合。借助于该多串口网关，可方便的实现串口设备和监控层的透明数据通信，实现设备的网络化控制与信息的分布式管理，必能广泛的应用在基于以太网的分布式测控网络中。和它类似的还有GM8125串口扩展芯片，不过GM8125是一扩五的串口扩展芯片。