基于CPCI總線的串口服務器模塊設計與實現(xiàn)

蔡駿王敏

（中國電子科技集團公司第二十八研究所江蘇南京210007）

1 引言

串口通信設備以其通信協(xié)議簡單和可靠性高等特點，在工業(yè)生產、自動化控制和軍事領域中被廣泛應用。但是串口通信也有其自身的局限性，如通信距離短，無法進行遠程數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控，無法接入主流的TCP/IP 網(wǎng)絡等[1,2]。以太網(wǎng)通信已滲透到各行各業(yè)中，與串口通信相比，以太網(wǎng)的傳輸距離遠、速率高和擴展方便，人們需要一種能使傳統(tǒng)的串口通信設備快速接入以太網(wǎng)的手段。

串口服務器可以實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)之間的雙向轉換，使傳統(tǒng)的串口通信設備快速接入以太網(wǎng)，實現(xiàn)對串口通信設備的遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)共享功能。CPCI 總線是在PCI 總線技術基礎上發(fā)展而來，在抗震、散熱和電磁兼容等性能方面都有較大改進，具有可熱拔插、高開放性及高可靠性等特點，被廣范應用于通訊、軍事、醫(yī)療和交通等領域[3]。設計了一種基于CPCI 總線的串口服務器模塊，主要由硬件板卡和客戶端軟件2 部分構成。

2 系統(tǒng)設計

串口服務器模塊典型應用模式如圖1 所示，其中串口服務器模塊集成在CPCI 機箱設備中，用戶通過計算機上的客戶端軟件可以對串口服務器進行配置管理，同時實現(xiàn)與多路串口設備的數(shù)據(jù)交互。

圖1 串口服務器模塊典型應用模式示意圖

串口服務器模塊采用標準的3UCPCI 板卡結構設計，除了具備通用串口服務器的一般功能外，還具備自身的一些功能特點，主要功能包括：

①實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)間通信格式和通信協(xié)議的相互轉換，使串口通信設備快速接入以太網(wǎng)，便入遠程通信和集中監(jiān)控；

②實現(xiàn)對客戶端串口的擴展，通過網(wǎng)口擴展出的多個串口對應用是透明的；

③板卡采用標準CPCI 接口，適合于模塊化應用。

串口服務器模塊在接口、數(shù)據(jù)處理和環(huán)境適應性等方面性能指標有：

①接口性能：串口服務器模塊對外提供8 路RS232 串行接口、1 路RS422 接口和2 路10/100 M 自適應以太網(wǎng)接口，串口速率600 bps- 115 200 bps可調；

②處理性能：支持各端口以全速率工作，數(shù)據(jù)實時處理和轉發(fā)；

③環(huán)境適應性：滿足軍品級設備對寬溫工作范圍（- 40- +85℃）和高海拔（5 km 以上）的嚴格要求。

串口服務器模塊的體系結構包括CPCI 硬件板卡、客戶端軟件以及通信協(xié)議3 部分[4]，如圖2 所示。硬件板卡是串口服務模塊的載體，主要由硬件平臺、操作系統(tǒng)和應用程序3 部分組成；客戶端軟件由虛擬串口驅動程序和配置管理軟件2 部分組成，虛擬串口驅動程序用于屏蔽用戶對串口服務器模塊的感知性，配置管理軟件提供可視化操作界面，完成對串口服務器模塊的配置管理功能，通信協(xié)議規(guī)定硬件板卡與客戶端軟件間交互的數(shù)據(jù)內容和格式。

圖2 串口服務器模塊體系結構

3 硬件設計

串口服務器模塊的硬件結構主要分為主控單元、接口單元和供電模塊3 部分。主控單元包含處理器和存儲部分等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、轉發(fā)和接口控制等功能。處理器采用Freescale 的PowerPC 處理器MPC8309，這是一款面向工業(yè)和網(wǎng)絡應用的高性能嵌入式處理器，片上集成了豐富的通信接口，滿足串口服務器模塊多網(wǎng)口和多串口的通信應用[5]，存儲部分提供了512 MB 內存、64 MB NOR FALSH 和1 GB NAND FLASH。

接口單元包含串口擴展模塊、信號隔離模塊和端口收發(fā)模塊。串口擴展模塊對外擴展出4 路UART 接口，用于滿足串口服務器模塊8 路RS232 串行接口的要求，其中串口擴展芯片采用TI 的TL16C752B，它以總線方式與處理器通信，片上集成2個獨立的UART 接口，波特率可調，支持硬件和軟件流控；信號隔離模塊將電路板內部信號與外部接口信號隔離，防止接口高電平信號以及靜電等外部因素對內部電路的干擾和損害；端口收發(fā)模塊進行電平轉換，將TTL 電平轉換成適合在線纜上傳輸?shù)碾娖叫盘枴ｋ娫磫卧◤臀?、時鐘和電源轉換模塊，分別為硬件系統(tǒng)提供復位、時鐘和供電支持。

4 軟件設計

4.1 板載軟件

板載軟件是指運行在串口服務器模塊硬件板卡上的相關程序，分為系統(tǒng)支撐層和應用層2 層。系統(tǒng)支撐層包括串口擴展芯片驅動和嵌入式Linux 2 部分，應用層包括TCP/IP 協(xié)議棧[6]、數(shù)據(jù)處理轉發(fā)以及系統(tǒng)管理3 部分，如圖3 所示。

圖3 串口服務器模塊板載軟件結構

數(shù)據(jù)處理轉發(fā)模塊根據(jù)串口和以太網(wǎng)通信協(xié)議要求完成二者之間數(shù)據(jù)格式轉換，它將收到的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包按照規(guī)定的協(xié)議解包，提取其中的串口數(shù)據(jù)和目標串口序號等信息，重新組成串口數(shù)據(jù)發(fā)送到相應的串口設備；同理，當收到串口數(shù)據(jù)時，則會將串口數(shù)據(jù)和源串口序號打包成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)格式，發(fā)送給對應的主機。系統(tǒng)管理模塊根據(jù)客戶端軟件下發(fā)的配置管理命令，對串口服務器模塊的參數(shù)進行設置和查詢，并反饋系統(tǒng)運行狀態(tài)等信息。串口數(shù)據(jù)與網(wǎng)口數(shù)據(jù)的收發(fā)處理流程如圖4 所示。

圖4 串口服務器模塊數(shù)據(jù)處理流程

程序收到來自網(wǎng)絡的UDP 數(shù)據(jù)包后，首先提取并保存IP地址和端口號等必要信息，然后根據(jù)數(shù)據(jù)類型分別進行處理，若為業(yè)務數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)按串口通信格式發(fā)送至對應串口；若為控制數(shù)據(jù)，則進行設置與查詢操作。在接收串口數(shù)據(jù)時，程序實時查詢各串口接收緩沖區(qū)，若有數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)取出打包成IP 數(shù)據(jù)送到網(wǎng)絡上。

串口數(shù)據(jù)收發(fā)通過中斷方式實現(xiàn)，程序為每個串口分配一個數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)和數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)，2個緩沖區(qū)各自利用一個隊列，用于數(shù)據(jù)維護。串口發(fā)送中斷子程序實現(xiàn)如下所示：

4.2 客戶端軟件

客戶端軟件由虛擬串口驅動程序和配置管理軟件2 部分構成。如圖5 所示，虛擬串口驅動程序由2個獨立的模塊組成[7,8]，一個是串口虛擬模塊，面向串口應用程序，它將串口服務器模塊上的端口映射到客戶端上，使得這些串口在客戶端上具有與真實串口相同的表現(xiàn)形式和操作模式；另一個是網(wǎng)絡驅動模塊，面向網(wǎng)絡服務，它接收串口虛擬模塊發(fā)送的串口數(shù)據(jù)，按照規(guī)定的協(xié)議轉換成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，通過網(wǎng)口發(fā)給硬件板卡，反之，對于來自硬件板卡的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡驅動模塊從中提取串口信息和業(yè)務數(shù)據(jù)，提交給串口虛擬模塊。

圖5 虛擬串口驅動程序框架

配置管理軟件提供用戶友好的可視化操作界面，可以對串口服務器模塊的端口映射關系、串口波特率和工作模式等參數(shù)進行設置和查詢，并實時顯示對串口服務器模塊工作狀態(tài)的監(jiān)控信息。

5 優(yōu)勢對比及應用

5.1 與其他系統(tǒng)的比較

串口服務器模塊在單塊CPCI 板卡上實現(xiàn)串口服務器的功能，與傳統(tǒng)串口服務器相比有以下優(yōu)勢：

①使用靈活：采用標準CPCI 接口設計，能夠方便地集成到其他電子設備中或者作為獨立的設備，提供串口服務，滿足各種不同使用需求；

②擴展方便：在背板接口允許的情況下，可以快速擴展出多個串口服務模塊，并且支持熱拔插、即插即用，維修更換方便；

③功耗低：串口服務器模塊采用低功耗嵌入式處理模塊設計，系統(tǒng)集成度高，體積小和功耗低，滿足電子設備日益嚴格的功耗要求。

5.2 應用分析

串口服務器模塊是為串口服務功能而設計，其基本應用是為其他電子設備或作為獨立設備提供串口服務功能，使串口通信設備快速接入TCP/IP 網(wǎng)絡，實現(xiàn)遠程控制和數(shù)據(jù)共享功能。此外，由于其特有的結構和功能特點，串口服務器模塊還可以作為串口擴展模塊而應用。將硬件板卡集成到需要擴展串口的設備中，安裝驅動軟件，即可通過一個網(wǎng)口擴展出多路串口。

6 結束語

本文設計并實現(xiàn)的串口服務器模塊，提供標準CPCI 接口，體積小和功耗低，可作為獨立的功能單元嵌入到其他電子設備中，為設備提供串口服務功能；也可以作為獨立功能設備，以串口服務器的形式提供相關功能。目前該模塊已成功應用于某型接入控制設備中，經(jīng)測試，模塊運行穩(wěn)定、可靠性高和使用方便。

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