实现基于TCP/IP的多串口转换网关

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作者：东华理工学院刘通良周建勇潘仕彬何为民时间：2007-01-26来源：《单片机与嵌入式系统应用》收藏

随着企业规模的扩大和internet技术的广泛普及，全国各个领域的不同企业已经对"上设备联网"达到共识，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，以往设备又不安可能全部淘汰，因此，本文提出了一种基于tcp/ip的多串口转换网关，可以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，并串口数据进行选择和处理，把rs323借口子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，还可以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cs232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道。
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。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/21222.htm

（1）tcp/ip协议转换模块

它是一个模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512kb sram芯片is61lv5128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（gm1823），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（uart0，uart1）共4个串行口（com1，com2，com3，com4）利用两级优先级控制uart0和uart1的中断请求且允许嵌套。在uart0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，uart1为1，即mcu优先响应uart0的中断请求。当uart0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）在多通道的工作模式下，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sradd1－0状态判断数据是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2.3－6.7v。
（10）输入地址引脚有50－80kω下拉电阻，其他输入引脚有50－80kω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com1，com2和com3通过gm8123扩展微控制器的uart0得到，适合传输速率较慢，数据量小的设备；com4是微控制器的uart1，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，不使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1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，关紧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，还有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，并放入以太网发送缓冲区；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，能够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com1为例，给出串口层上数据流，如图5所示。