隨著企業(yè)規(guī)模的擴大和Internet技術的廣泛普及,，全球各個領域的不同企業(yè)已經(jīng)對“讓設備聯(lián)網(wǎng)”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(jù)轉發(fā)到網(wǎng)絡上，實現(xiàn)設備的遠程控制,、數(shù)據(jù)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(wǎng)關,，可從根本上解決這一難題,。
多串口轉換網(wǎng)關使得串口數(shù)據(jù)流到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)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(jù)進行選擇和處理,，把RS232接口的數(shù)據(jù)流轉化成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流,，這樣就可以進行網(wǎng)絡化的數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的網(wǎng)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(wǎng),，既可以提高設備利用率,，又節(jié)約組網(wǎng)費用，還可在已有的網(wǎng)絡基礎上簡化布線復雜度,。采用串口擴展芯片
(1)TCP／lP協(xié)議轉換模塊
它是一個微型的以太網(wǎng)接入模塊,，由微控制器(MCU)、網(wǎng)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(wǎng)卡接口芯片進行網(wǎng)絡通信,，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(jù)報協(xié)議(UDP)等協(xié)議的解析和封包,。將以太網(wǎng)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(wǎng)數(shù)據(jù)幀并向上層層解包,，分離應用層數(shù)據(jù),，然后數(shù)據(jù)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(wǎng)端口流的透明轉換,。
(2)多串口收發(fā)控制模塊
實現(xiàn)多個RS232串口數(shù)據(jù)流的收／發(fā)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
當兩組串口同時有數(shù)據(jù)請求時，首先,，MCU的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。系統(tǒng)對優(yōu)先級分配：UART0為2,，UARTl為1,，即MCU優(yōu)先響應UART0的中斷請求。當UARTO的3個子口同時有數(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(tǒng)一調節(jié)),；
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(shù)據(jù)后,，就可根據(jù)SRADDl～0狀態(tài)判斷數(shù)據(jù)是從哪一個子串口送來的，發(fā)送時先由MCU選擇子串口再向母串口發(fā)送數(shù)據(jù),；
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(shù)據(jù)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(tǒng)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(shù)據(jù)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(tǒng)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(jù)需求具體配置,，這樣,，系統(tǒng)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(tǒng)提供了由2組4個串口、兩級優(yōu)先級控制,、2種波特率配置方案構成的多串口實現(xiàn)方法,。
4 工作原理
4.1 幀的統(tǒng)一化
系統(tǒng)4個串口源的數(shù)據(jù)要作為以太網(wǎng)幀的一部分，為了向設備提供透明的接口和區(qū)分數(shù)據(jù)源,，需要制定統(tǒng)一的幀格式,。幀格式如圖2所示，其中串口號字段用來區(qū)分數(shù)據(jù)源,；幀頭,、幀尾作為一個串口幀的起始分界(可自定義)；數(shù)據(jù)部分是來自串口的原始數(shù)據(jù)流,。同樣,，網(wǎng)口發(fā)送數(shù)據(jù)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(xié)議數(shù)據(jù)進行傳輸?shù)摹?/p>
4．2系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向分析
多串口轉換網(wǎng)關，實現(xiàn)多個串口和一個網(wǎng)口間的數(shù)據(jù)轉換,，關鍵是多個串口數(shù)據(jù)如何送到網(wǎng)絡上,、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)又怎樣轉到多個串口。其中,，串口鏈路層完成串口數(shù)據(jù)收發(fā)功能,，串口網(wǎng)絡層作為TCP／IP應用層的一部分，實現(xiàn)串口幀的封裝,。發(fā)送是入?yún)f(xié)議棧的過程，如圖4所示,，接收是出協(xié)議棧的過程(圖略),，不同之處在于對數(shù)據(jù)的收／發(fā)處理。
多串口到網(wǎng)口的數(shù)據(jù)轉換傳輸：串口鏈路層,，接收來自測控設備的數(shù)據(jù),，交給串口網(wǎng)絡層，該層完成串口數(shù)據(jù)幀的封裝并放入以太網(wǎng)的發(fā)送緩沖區(qū)。當系統(tǒng)規(guī)定的UDP打包時間到或已經(jīng)有4個串口數(shù)據(jù)幀時,，打UDP包,，并逐層下送，直到把數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)長度作了嚴格定義：串口數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)段最大長度為300個字節(jié),；網(wǎng)口發(fā)送幀的數(shù)據(jù)段最多允許4個串口數(shù)據(jù)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(guī)定一個最長響應時間,。時間到時,，不管是否已接收：300個字節(jié)都要對串口數(shù)據(jù)進行封裝，并放人以太網(wǎng)發(fā)送緩沖區(qū),；同時,，為了避免系統(tǒng)由于等待以太網(wǎng)發(fā)送緩沖區(qū)串口幀數(shù)達到4，而造成串口數(shù)據(jù)不能實時發(fā)送,，要求在一定的時間內進行一次以太網(wǎng)通信,，而不必等待4個串口幀到齊才打包傳輸。
這樣,，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)容量和時間的雙重規(guī)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(shù)據(jù),，降低了由于時間上的“空等”造成系統(tǒng)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(shù)據(jù)
流,，如圖5所示。
圖6說明了多串口數(shù)據(jù)幀等待打包傳輸?shù)倪^程,。
網(wǎng)口數(shù)據(jù)到多串口的數(shù)據(jù)流向,，是對以太網(wǎng)鏈路層的數(shù)據(jù)幀向上逐層解包的過程。如圖7所示,，將收到的以太網(wǎng)幀,，依次去掉每層的協(xié)議頭分解出應用層數(shù)據(jù)，再以0x24和OxOa為分界分離,，根據(jù)串口號字段的值,，將信息發(fā)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(wǎng)關,，采用GM8123芯片增加了串行口數(shù)目,，適合要求入網(wǎng)串口設備多的場合。借助于該多串口網(wǎng)關,，可方便的實現(xiàn)串口設備和監(jiān)控層的透明數(shù)據(jù)通信,，實現(xiàn)設備的網(wǎng)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(wǎng)的分布式測控網(wǎng)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。