實現基于TCP／IP的多串口轉換網關

隨著企業規模的擴大和Internet技術的廣泛普及，全球各個領域的不同企業已經對“讓設備聯網”達成共識，而在工業控制和通信設備中，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據轉發到網絡上，實現設備的遠程控制、數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，本文提出一種基于TCP／IP的多串口轉換網關，可從根本上解決這一難題。

多串口轉換網關使得串口數據流到以太網數據流的傳輸成為可能。它能連接多個RS232串口設備，并將串口數據進行選擇和處理，把RS232接口的數據流轉化成以太網數據流，這樣就可以進行網絡化的數據處理，實現串行數據的網絡化。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，又節約組網費用，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GM8123可實現低成本、較高速度、控制簡單的多串口方案。

1  系統應用方案

在企業自動化系統中，上層企業管理層和生產監控層一般都采用以太網和PC機，而下層車間現場多是RS232串口的測控設備。本文提出的多串口轉換網關，能夠方便實現上下兩層的溝通。

可連接多臺串口設備是本系統最大的特點，避免了為每臺設備配置一個網關帶來的成本較高、組網復雜的弊端。

2  系統結構

TCP／IP協議由應用層、UDP層、IP層和數據鏈路層組成。為了實現透明傳輸，增加應用進程協議層——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數據包，并作為TCP／IP網絡應用層的數據傳輸。多串口網關由TCP／IP協議轉換模塊和多串口收發控制模塊組成，結構如圖1所示。

(1)TCP／lP協議轉換模塊

它是一個微型的以太網接入模塊，由微控制器(MCU)、網卡接口芯片、EEPROM 93C46、片外512 KBSRAM芯片IS6lLV5128以及輔助元件構成。微控制器控制網卡接口芯片進行網絡通信，實現地址解析協議(ARP)、Internet控制報文協議(ICMP)、IP協議、用戶數據報協議(UDP)等協議的解析和封包。將以太網發送緩沖區的串口幀封裝在UDP包中，并傳給IP層；同時，接收以太網數據幀并向上層層解包，分離應用層數據，然后數據的解析處理交由多串口發送模塊完成，實現RS232串口流與以太網端口流的透明轉換。

(2)多串口收發控制模塊

實現多個RS232串口數據流的收／發控制，包括微控制器、串口擴展芯片(GM8123)、MAX232等元件。微控制器控制GM8123完成多串口數據收發，接收多個串口源數據，封裝后寫入以太網發送緩沖區打包傳輸；同時，接收以太網應用層的數據，解析并發送給測控設備。它不關心通信數據的具體意義，只負責接收／發送，封裝／拆封串口幀，提供通用接口。

3  多串口實現
 

3.1  實現方案——采用串口擴展芯片

在微控制器中有2個UART的基礎上，采用GM8123，系統能提供2組(UARTO、UARTl)共4個串行口(COM1、COM2、C0M3、COM4)，利用兩級優先級控制UARTO和UARTl的中斷請求且允許嵌套。在UARTO的中斷例程內部，通過查詢方式確定數據源是哪個子串口。

當兩組串口同時有數據請求時，首先，MCU的中斷機制判斷中斷請求的優先級，對優先級高的中斷請求優先響應。系統對優先級分配：UART0為2，UARTl為1，即MCU優先響應UART0的中斷請求。當UARTO的3個子口同時有數據請求時，通過輪詢方式，對各個子口予以響應，即按照子口號的地址由小到大進行響應。這樣，就形成了2級中斷和4個串口的多串口實現方案。

3.2  多串口擴展芯片——GM8123

GM8123可將一個全雙工的標準串口擴展成3個標準串口，并能通過外部引腳控制。選用該芯片是基于它的自身特點：

①采用寫控制字的方式對芯片進行控制，控制簡單；

②數據格式10位或11位可選；

③擁有3個子串口．且各子串口波特率可調(統一調節)；

④兩種模式(單道模式和多道模式)可通過1根引腳控制；

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分頻；

⑥在多通道工作模式下，接收時地址線SRADD1～0向MCU返回接收子通道的地址，MCU接收到母串口送來的數據后，就可根據SRADDl～0狀態判斷數據是從哪一個子串口送來的，發送時先由MCU選擇子串口再向母串口發送數據；

⑦與標準串口通信格式兼容，TTL電平輸出；

⑧每位采樣16次，提高數據正確性；

⑨寬工作電壓為2．3～6．7 V。

⑩輸入地址引腳有50～80 kΩ下拉電阻，其他輸入

引腳有50～80 kΩ上拉電阻(OSCI除外)。

3.3各串口的特點及應用分析

 系統中兩組串口利用的資源不同，在速率上它們之間存在差異。串口COMl、COM2和COM3通過GM8123擴展微控制器的UARTO得到，適合傳輸速率較慢、數據量小的設備；COM4是微控制器的UARTl，相對于第一組串口能很好的適應傳輸速率較快的設備。
 

GM8123工作在多道模式，各子串口必須設置統一波特率，不適用于各串口設備工作波特率不一致、又要求同時工作的場合，這也是該芯片的不足之處。實際應用中，COM1、COM2和COM3應該連接類型、速率相同的設備。COM4的波特率可以根據需求具體配置，這樣，系統的4個串口從速率上可以形成兩種應用方案：一是4個串口配置相同波特率；二是每l組配置1個波特率值。
 

綜上所述，系統提供了由2組4個串口、兩級優先級控制、2種波特率配置方案構成的多串口實現方法。

4  工作原理

4.1  幀的統一化 

系統4個串口源的數據要作為以太網幀的一部分，為了向設備提供透明的接口和區分數據源，需要制定統一的幀格式。幀格式如圖2所示，其中串口號字段用來區分數據源；幀頭、幀尾作為一個串口幀的起始分界(可自定義)；數據部分是來自串口的原始數據流。同樣，網口發送數據也要有一致的幀格式，如圖3所示。顯然，串口幀是作為UDP層的協議數據進行傳輸的。

 4．2系統數據流向分析

多串口轉換網關，實現多個串口和一個網口間的數據轉換，關鍵是多個串口數據如何送到網絡上、網絡數據又怎樣轉到多個串口。其中，串口鏈路層完成串口數據收發功能，串口網絡層作為TCP／IP應用層的一部分，實現串口幀的封裝。發送是入協議棧的過程，如圖4所示，接收是出協議棧的過程(圖略)，不同之處在于對數據的收／發處理。

多串口到網口的數據轉換傳輸：串口鏈路層，接收來自測控設備的數據，交給串口網絡層，該層完成串口數據幀的封裝并放入以太網的發送緩沖區。當系統規定的UDP打包時間到或已經有4個串口數據幀時，打UDP包，并逐層下送，直到把數據送上物理介質，完成比特流的傳輸。

為了能一次傳輸盡量多的數據，系統對數據長度作了嚴格定義：串口數據幀的數據段最大長度為300個字節；網口發送幀的數據段最多允許4個串口數據幀。同時，還要滿足具體應用對實時性的要求：對每一個串口規定一個最長響應時間。時間到時，不管是否已接收：300個字節都要對串口數據進行封裝，并放人以太網發送緩沖區；同時，為了避免系統由于等待以太網發送緩沖區串口幀數達到4，而造成串口數據不能實時發送，要求在一定的時間內進行一次以太網通信，而不必等待4個串口幀到齊才打包傳輸。

這樣，系統對數據容量和時間的雙重規定，能保證具體應用對實時性的要求，并能一次傳輸盡量多的數據，降低了由于時間上的“空等”造成系統實時性差的可能性。4個串口在串口層完成的功能是相同的，僅以COMl為例，給出串口層上數據

流，如圖5所示。

圖6說明了多串口數據幀等待打包傳輸的過程。
 

網口數據到多串口的數據流向，是對以太網鏈路層的數據幀向上逐層解包的過程。如圖7所示，將收到的以太網幀，依次去掉每層的協議頭分解出應用層數據，再以0x24和OxOa為分界分離，根據串口號字段的值，將信息發送到相應的設備，完成預定的控制。

結語

本文介紹基于TCP／IP的多串口轉換網關，采用GM8123芯片增加了串行口數目，適合要求入網串口設備多的場合。借助于該多串口網關，可方便的實現串口設備和監控層的透明數據通信，實現設備的網絡化控制與信息的分布式管理，必能廣泛的應用在基于以太網的分布式測控網絡中。和它類似的還有GM8125串口擴展芯片，不過GM8125是一擴五的串口擴展芯片。