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IP的多串口转换网关

发布时间:2020-06-30 17:54:33 阅读: 来源:电容器厂家

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: (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。

图6说明了多串口数据帧等待打包传输的过程。

网口数据多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0x0a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,可方便地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,比能广泛的应用在基于以太网的分布式测控网络中。

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