基于ARM9的串口与网络转接系统的设计与实现

且有较好的传输特性，在工控设备中得到广泛使用。随着嵌入式技术和网络技术的迅猛发展，在一些应用场景中，需要将串行设备接入网络。因此，需要寻求一种方案，用来解决串行设备和网络之间的互联问题。 本文设计了串口与网络的转接系统，实现了数据在串口与网络间透明传输。系统对数据链路与 行链路之间的通信数据进行转换与传输 ， 对来自网络的数据帧进行判断，转换成串行数据发送到串行设备上；处理来自串行设备的数据流，将其格式转换为在网络中传输的数据帧。针对工控设备的实际需求 ， 本文 在 设计了系统总体方案 ， 以实现在 路与网络接口之间进行数据传输 。 在应用程序设计中，设计了数据通信和参数配置两个模块。数据通信模块中，在串口与网口间实现透明传输 ； 在程序设计时采用信号量的同步机制 ， 实现了系统的实时通信 。参数配置模块移植 务器 ， 通过 序设计 ， 生成动态页面 。 用户通过浏览器在地址栏输入 务器的 转接器进行管理，远程进行系统的参数配置 。最后对系统的功能 、 性能进行了测试 。 本文设计的转换器成本低廉 、 功能完善 、性能优异，可满足工控设备的应用需求。关键字： 嵌入式； to is of so in As of in to to we to to a of of to so be on of of on of an so as to In In we in In is so GI in is EB s IP in of s in In we as as of . 选题背景与研究意义 . (1)内外现状分析 .(1)节安排 .(3)求分析 .(4)案设计 .(5)章小结 .(9)件平台 .(10)理及操作 . (13)行通信操作 .(15)章小结 .(18)述 .(19)据通信 .(19)数配置 .(26)程间通信 .(32)章小结 .(34)能测试 .(35)能测试 .(38)6总结与展望.(41)致谢. (42)参考文献.(43)物 联网 ” 是 继互联 网之后 伟大的 技术创 新，它 将对现 有的产 业格局 形成颠 覆性 的冲击 ,也 将成为 2 1 世 纪 “ 后 ” 发展 的新引 擎 1 。 很多企 业已经 达成了对 “让全部设备连接网络 ”这一观点的广泛认同 。 为了能跟上信息化的步伐 ， 保持企 业的竞 争优势 ，必须 建立高 品位的 数据采 集、便 捷的生 产监控 、及时 可靠的 联网传输系统。 在传统的数据采集、工业控制系统等领域中，有大量的传感器、采集卡、读卡器等设备，彼此相互连接构成网络2 。由于 2 串行通信容易实现与维护，其应用较为广泛。 2 串口是工业生产的普遍接口，而很多仪表仪器只具有串行 2 接口 ，没有网络接口 ， 不能直接联网 。 另外 ， 2 串行通信的数据传输速率和传输距离还不能完全满足工控设备的需求。然而，串口使用已经非常广泛，短时间内不会淘 汰。因此，目前应该解决的问题是：在现有串口设备特性的条件下提高串口设备的传输距离、数据传输率及保证数据传输的可靠性 3 。随 着互联 网技术 的迅猛 发展， 计算机 网络采 用了分 组交换 技术及 开放 互联参 考模型 ）的架 构，使 得数据 通信更 加便利 。不同 硬件、 不同操 作系统 之间的 息交换 4 。如果串口设备能够接入 通过计算机网络进行数据传输 ， 其通信距离 、 数据传输速率也将得到很大的改善，同时 简化布线复杂度 。本课题正是在此背景下，设计了基于 嵌入式 网络转接系统 ，在 2 串口 与网络 之间的 进行数 据交换 ，并通 过网络 远程管 理、控 制设备 ，以满足嵌入式设备的网络化的需求。 2 串口 以太网接口与 来自网络的数据帧进行判断，转换成串行数据发送到串行设备上； 处理来自串行设备的数据流，将其格式转换为在网络中传输的数据帧 5。 现有 的 2 串口设备接入该转换器 ， 使串口设备立即联网 ， 可以充分利用 前，国内外越来越多的公司及其科研机构关注了这一课题，并进行了相关的研究。 市场上主流的 2 串口 /2 /4 /8 /1 6 /3 2 个 2 串口和一个以太网接口，支持 口和网络参数可通过网页、 6。美 国 研制 的 串口设 备联网 转 换 器 为串口 设备提 供了全 面的网 络连接 功能7。 这些功能包括 具有 可靠的 远程管理能力 、 网络接口和串行接口以及 0 0 系 列 核心 模 块 还 支 持 3 2 个 可 配置 的 I/ 个 串 行端 口 ， 来 实现设备连接和控制 。 核心模块采用了 且提供免费的 处理器主频为 2 0 0 4 提供对 D/武汉波仕公司在 2 0 1 1 年 4 月 2 5 日 ， 发布了 2 L 为 2设 备移动 联网开 拓了新 领域， 免除了 布线的 工作， 增加串 口设备 联网的 灵活性 ，将 串口设备带入了移动互联的新时代8。采用 2 b/g 技术，通过现有无线 串 口设 备 随时 随 地， 灵 活机 动 的联 网 。 无 线 过 两两 互 联，也可通过 使 2 串口与 台 湾 于 2 0 1 1 年 1 1 月 1 4 日 推 出 了 5 8 系 列 交 换 型 串 口 设备 联网服 务器， 携 带 8 个 以太网 口和 4 个 串口 ， 集 合了交 换机和 串口联 网的功 能，支持 9 。 可满足 工业控制设备的 安全需 求 ， 提供 电 源、网 口和串 口的浪 涌保护 ，防止 电压变 化引发 的设备 损坏。提 供 高 等级的 1 5 ，防 止静电 引发的 设备损 坏。支 持宽温 ，可在 8 5 的 环 境 下 可 靠 稳 定 的 运 行 可 以 在 串 口 和 以 太 网 口 之 间 进 行 双 向 数 据 传 输 ， 并 提 供 流 操 作 系 统 下 程 序 来 完 整 地 传 输 所 有 的 串口数据。 市场上的串口 6 位处理器，价格较高，并且功能方面也不完善 1 0 ； 转接器是在传输层对串口数据进行打包 ， 不易实现串口 与网络透明传输 ；没有实现网络对接。因此，设计具有完善功能且性能优异的转换器将会有很大的市 场前景。 嵌入式 包括 开发环境的搭建 。 经过方案设计 、 优化与反复调试 ， 在 之间 的数据 转换与 传输， 并在一 对 实现 了串口 ，网络 对接， 通过浏览器对设备进行参数配置。具体章节安排如下 :第一章 首先提出了嵌入式串口与网络的转接系统出现的背景 ， 接着描述了该转接系统在国内外发展现状，最后介绍的是本论文研究的主要内容和章节安排。 第二章 针对系统的功能 、 性能分析 ， 设计系统的总体框架 ， 论证并确立了系统的总体方案、软硬件选型。 第 三 章 简 要 介 绍 下 系 统 的 硬 件 平 台 ， 及 数 据 链 路 层 捕 获 函 数 库 的 使 用 ， 讨 论四章 为系统的软件设计 ， 主要论述了数据通信 、 参数配置和进程间交互模块处理过程。 第五章 对系统进行测试。第六章 全文总结展望 ， 对该协议转接器的研究与开发做了全文总结并提出后续的研究方向。4华中科技大学硕士学位论文2 2 2 2 出了系统的应用场景 ， 嵌入式串口 2 串口与串行终端设备交换数据 ， 通过网络端与远程网络设备相连接 。 系统对 根据接收标志 ， 筛选来自网络的数据帧 ，转换 成串行 数据发 送到串 行终端 设备接 口上1 1 ；处 理来自 串 行设 备的数 据流， 将其格 式 转 换 为 在 网 络 中 传 输 的 数 据 帧 。 系 统 在 无 线 环 境 下 也 可 进 行 转 发 和 接 收 。图 2 接器 的应用场 景通过嵌入式串口 有的串行设备接入网络，对串口数据流进行打 包1 2 。 在数 据 链路 层 提供 双 向透 明 传输 ， 处理 来 自串 行 设备 的 数据 流 转换 为 网络中传播的数据帧。串口 具体的应用数据内容无关。本 系统可 实现 2 个 串口终 端设备 同时、 独立的 与以太 网进行 数据通 信传输 ，非常具有市场价值。提供两个网络接口：一个是以太网接口，另一个是连接 统的主要功能如下 : 系统负责串口，网络的数据双向透明传输 支持全双工、可靠的数据传输 串口、网络相关参数可通过 可以设置接收限制标志，来接收特定端口的数据 可对串口状态或网络状态进行监控 网 络 协 议 ： 支 持 网络连接 :采用局域网内部联网，接入因特网 支持 对接 :不经 过 通过两 个转接 器对等 连接， 数据在 两端可 进行透 明传输系统技术指标： 操作温度 : 至 +6 5 摄氏度 电源 : +5 串口 :2 个 2 接口 串口信号： 支持常用波特率，最高速率为 2 3 0 4 0 0 串口数据转发至网络的最大延时为接收 1 0 0 字节的串口数据所需的时间 1 3 网口支持 1 0 线网卡的最大传输速率可达 5 4 需要对系统的总体解决方案进行设计 。 在硬件设计上 ，需要在满足系统技术指标上选择合适的硬件芯片和外围电路 ;在软件设计上，需要选择 可靠且 易于开 发的实 时操作 系统和 合适的 协议栈 ，并设 计稳定 的应用 程序满 足系 统功能要求1 4 。基于以上考虑，设计系统总体框架。6华中科技大学硕士学位论文网 络 设 备转 接 系 统串 行 2 设 备 应 用 程 序操 作 系 统串 口 与 网 络数 据 通 信 配 置文 件 系 统设 备 驱 动网 络 通 信串 行 通 信 软 件硬 件处 理 器 2 接 口网 络 接 口图 2 统框 图图 2 该协议转接系统的总体设计框图 ， 主要分为硬件平台和软件两大部分 。硬 件为软 件运行 提供支 撑，是 整个系 统的基 础。系 统的硬 件主要 有中央 微处理 器，存 储电路 ，以太 网电路 和串口 电路组 成。软 件部分 分为应 用程序 和操作 系统两 部分 组 成，操 作系统 支持串 口、网 络等设 备驱动 程序， 为系统 稳定运 行提供 环境。 应用 程序部分负责串口设备与网络设备进行数据传输及其通信参数的配置。2 2 2 12 2 12 2 1 系统的硬件选择在器件的选择上 ， 充分考虑器件功能 、 功耗 、 可靠性 、 开发成本 、 体积等因素 ，选取最合适本系统的器件1 5 。 其中 ， 系统的硬件平台主要基于 处理器的选型有以下参考方案：方案 1 0 单片机作为主控单元此方案的优点是：(1 )低功耗。采用较高集成度芯片化设计，具有高速、低速两套时钟，五种节能模式；(2 )片内资源丰富 ， 易于设备扩展 。 含有硬件乘法器 、 定时器 ， 4 8个 用倍频的 3 )直接嵌入仿真处理模块 ， 具有 采用 精简指令集 ） 。此方案的缺点是：(1 )处理速度有限，性能较低，存储容量小；7华中科技大学硕士学位论文(2 )通常运行前 根据实际情形设计适当的网络协议，开发周期较长 。因此，单片机型的串口与网络协议转接器适用于数据量很小的场合。方案 2 采用普通的 体系结构 1 )支持处理浮点运算能力，系统的软件升级较为容易；(2 ) 技术较为成熟， 定性较高；(3 ) 与硬件相配合的软件平台较为成熟，开发周期较短。此方案的缺点： (1 )系统成本较高，移动性较差，温度范围较窄；(2 )积庞大，不适合用于复杂的工业场合1 6 。方案 3 采用 列微控制器 1 0 作为主控单元此方案的优点：(1 ) 3 0 本也较为便宜，片上有较多的外围接口；(2 )适用于工业控制中复杂恶劣的环境；(3 )应用广泛，可靠性较高。此方案的缺点： (1 )必 须 扩 展 围 器 件 才 能 组 成 可 用 的 主 控 系 统 ，性价比有待提高；(2 )常只运行 系统自身没有协议栈 ，开发时还需根据实际情形添加协议栈，增加了系统的开发周期和开发难度。方案 4 采用 3 1 0 作为主控 方案的优点： (1 )时钟主频率 2 0 3 统处理性能可达 1 2 )支持市场上主流嵌入式操作系统 ： 携带 1 7 ；(3 )体积较小，较好的满足工业控制设备市场需求；(4 )实用于工业现场，支持较宽的温度范围 ( 8 0 )；(5 )有片内 可外扩 本系统的设计中，基于系统的现实意义考虑，可靠性和成本是其选择 合以上四种方案，最终选择第四种方案。2 2 2 22 2 22 2 2 系统的软件选型串口与网络协议转接器的任务是 ： 在串口链路和数据链路上双向透明传输数据 ，8华中科技大学硕士学位论文实现转接器的对接 ； 转接器接收到串口数据进行打包转换为以太网的数据协议格式 ，将 其传送 到网络 相应的 设备上 ；另外 ，将收 到以太 网的数 据包进 行判断 ，并传 输到 相 应的串 行终端 。另外 ，为便 于系统 升级、 维护， 使其在 因特网 上任意 访问、 管理 远程的串行设备，实现对工控设备的智能化管理。要 实现功 能可靠 、性能 优异、 开发便 捷的协 议转接 器，软 件上要 求有较 为齐全的 网络 协 议栈 ， 并可 进 行裁 剪 1 8 ； 也要 求 系统 有 较强 稳 定性 及 实时 性 ，系 统 及时 调度应用程序的运行。选 择一款 优秀的 嵌入式 操作系 统，对 系统可 靠的运 行和开 发起着 极为关 键的作用 。由此 ，在软 件设计 上主要 基于操 作系统 的选择 来考虑 。以下 简要介 绍下典 型的 嵌入式操作系统的特点。 2 位多任务的嵌入式操作系统 ， 它已经成功运用于多种手持设备中。优点是： （ 1 ）实时性较强，内核可以进行精简和定制；（ 2 ）图形界面 开发工具强大；有较好的技术支持；（ 3 ）可以连接到 现信息的交换。缺点是： （ 1 ）版权费用较高，不利于开发；系统运行占有资源较大；（ 2 ）代码不公开，特殊芯片的驱动不好研究。 目前广泛应用于航空、航天、军事等领域中。 优点是： （ 1 ）实时性很强， 由用户定义的任务优先级对任务实现调度；（ 2 ）对常见的 3 ）支持图形界面，有较为丰富的网络协议。缺点是：（ 1 ）用户对系统的实时调度责任较大， 2 ）代码不公开，开发时间长，成本较高。嵌入式 一个完整的、可移植、固化、裁剪 、 可9华中科技大学硕士学位论文抢占的实时多任务系统。优点是： （ 1 ）体积小巧，适合开发简约实用的程序。（ 2 ）免费开源代码，有助于系统定制和裁剪，开发成本低。缺点是： 需要使用外部的协议栈或者根据实际应用重新设计新的协议栈。嵌入式 被广泛应用在移动电话 、个人数字助理 (媒体播放器、消费性电子产品等领域中。有以下优点：1 件资源开放2 广泛支持多种体系结构的 有较少的硬件资源3 有实时处理能力4 持多种文件系统5 高的安全性、可靠性通过对以上操作系统的比较， 置优秀的网络协议 ，资源公开 ， 开发成本较低 ， 编译之后不到 2 综合以上考虑选用嵌入式 6 ，对网络协议有广泛的支持，有较为全面的文献可供参考。首先 分析了 系统的 功能、 性能需 求，紧 接着给 出了系 统的总 体解决 方案。系统以设计串口 现串行设备和以太网间互联、转换与传输 。 最后 ， 给出了系统的软件 ， 硬件选型 ： 选用基于 2 4 1 0 处理器搭建 硬 件平 台 ；软 件 选用 基于 多 线程 的 应用 程 序编 程 。后 面 章节 将 详细 论述系统的具体设计。平台 是整个 系统运 行的基 础，是 整个设 计实现 的关键 。系统 的硬件 主要有四大部分组成 ， 分别是 ： 处理器部分 ， 存储器部分 ， 网络接口部分 ， 串口接口部分 。图 33 1 0存 储 器 2 *2时 钟 电 路电 源 部 分以 太 网 接 口 0 0 网 卡图 3件平台3 3 1 13 1 13 1 1 微处理器微 处理器 是系统 的核心 部分， 主要完 成以下 功能： 在以太 网数据 和串口 数据间建 立链路 ；判断 串行数 据流的 格式， 完成对 数据流 的识别 ；通过 对网卡 的读写 来完 成 以太网 数据的 发送和 接收； 对串口 数据流 和网络 数据包 的速度 的控制 ，完成 数据 缓存等。本系统选用以 3 该处理器是 采用 适用于高性价比、低功耗的嵌入式网络设备19。 2位 简指令集 )体系结构，片内集成了大量的功能单元 ： 内部含有 内存管理单元 ） ， 166进的位控制器总线 （ ， 外部存储器控制总线 ， 4路 的 3路 7个 I/ 2个 口 ， 1个 口 ， 2路 标准 、 慢速 、 休眠和掉电模式 ， 最高可运行在 203支 持址 1的地 址空间 ，共 8个 每个 据总 线1华中科技大学硕士学位论文为 8/16/32位，前 6个存储器 两个存储 器 启动时支持不同类型的 ， 处理器特别 适用于信息家电、工业控制、持设备、智能电话、移动终端等领域。3 3 1 23 1 23 1 2 以太网接口模块系统通过以太网接口接入网络，发送、接收数据包。本系统采用 产 的 一种 局 域网 处 理芯 片 0 0 A ， 1 0 0 ， 提 供 8 位 和 1 6 位 两种接 口 ， 内 部 集 成 了 片 内 4 的 0 发 滤 波 器 2 0 。 0 0 A 支 持 2 太 网 标 准 ， 并 带 有 ， 传 输 数 据 帧 冲 突 后 可 自 动 重 传 。 0 0 接收工作 ， 包括 ： 产生和检测帧头 、 冲突检测 、生成和验证 如果一帧的数据长度小于 4 6 个字节 ， 将生成填充字段使数据帧达到以太网所要求的最短长度。 0 0 A 工作过程是 ： 首先对网络线路进行侦听 。 如果线路忙 ， 进行等待 ， 直到线 路空闲 为止， 否则， 立即发 送该数 据帧。 发送过 程中， 在发送 数据前 添加以 太网 帧头 （ 包括先导字段 、 帧的开始标志及 ， 在生成 4 字节的 将 此数据 帧发送 到以太 网上。 在接收 时，收 到以太 网的数 据帧经 过解码 、剥除 帧的头部和地址检验等操作后 ， 缓存在片内的 经过了 由初始化配置信息通知主机网卡，最后，将此数据帧传送到主机的存储区中 2 1 。 0 0 A 与处理器连接方式如图 3 示 ： 其中基地址 0 0 _硬件连接有 关。 0 0 A 连 接到 2 4 1 0 的 0 0 A 的 基地址 是 0 0 0 0 0 0 0 ， 其内 部寄 存 器默 认 基地 址 为 0 0 , 所 以在 0 0 A 在 2 4 1 0 的 映射 空 间中 的 地址 为0 0 0 0 3 0 02 2 。12华中科技大学硕士学位论文图 3接方式3 3 1 33 1 33 1 3 串口模块图 3 口原 理图图 3 串口一般用 串口通信通常只需 3 个引脚即可实现 ， 分别是发送 、 接收和地线 ， 其他引脚用于握手协议 。由 于串口 通信属 于异步 通信， 可以在 进行通 信时不 使用握 手协议 。 串 口部分 主要完成 的是对 串口数 据流的 提取及 对 串口数 据的进 行电平 转换和 处理。 接 收来自 数据 并转换 为连续 的串行 数据流 发送到 器上 ，同时 接收 控制器的传输数据流并转换为并行数据发送给 具体通信过程是 ： 行数据，串行数据含有起始位、数据 位、奇 偶校验 位和停 止位。 串口数 据的传 输是从 一个起 始位（ 电平信 号为 “ 0 ” ）开始 ， 后面的数据位为 7 位或 8 位 ， 一个可选的奇偶位和停止位 （ 电平信号为 “ 1 ” ） 。接收 控制器 发现起 始位时 ，将与 发送控 制器的 时钟频 率同步 2 3 。若 选择了 奇偶校 验方式 ， 奇偶校验位可用来提高数据传输的可靠性 。 在串口接收过程中 ， 并 对接收 的数据 进行奇 偶校验 ，若校 验没有 错误就 将数据 流从串 行转换 成并行 发送 给 微 处 理 器 。 本 文 使 用 了 2 路 通 过 电 平 转 换 芯 片 3 2 ， 把 3 的 2 C 的逻辑电平进行传输，微处理器通过串行接口与串口设备的通信。 3 3 1 43 1 43 1 4 存储器模块本系统使用了 中， ， 操 作 系 统 和 应 用 程 序 代 码 。 本 系 统 扩 展 了 1 片 6 4 0 8 ， 外接 2 片 k4 1 6 3 2 芯片构建 3 2 位的 将 连接在 芯片的 ，最 终可通 过主控 芯片访 问 区域。 当系统启动时， 读取启动代码，在完成系统的初始化后，程序代码调入 同时系统及用户堆栈 、 运行数据也都存放在 为系统的高速运行提供 充足 的存储空间 2 4 。23 23 23 2 1 1 1 1 链路层捕获机制在使用共享式的网络传输介质中 ， 网段内的主机都能收到任意站点传来的数据 。数据捕获程序使用 为访问数据链路的手段。 卡驱动在接收到数据包后，拷贝一份递交给 滤器根据用户定义的规则对数据进行过滤，决定是否接收此数据包以及需要拷贝该数据包 的哪些内容，然后将过滤后的数据传给 5。支持 网络驱动程序在收到或者发送一个数据包时 ， 都会调用 数据链路收到数据包时，会向上层协议传递，根据 给不同的协议栈，每传一层就剥掉一层头部，直到传给上层的应用程序 2 6 。若将网卡设置为混14华中科技大学硕士学位论文杂模式，可以接收网段内的所有帧，它将发送的或接收的数据包拷贝一份给 经过滤器送至缓冲区，最后传给应用程序。流程如图 3 示。过滤有内核完成，减少了从 个包只有部分数据经 以只捕获应用程序设置过滤的数据。应 用 进 程 A 应 用 进 程 区 缓 冲 区过 滤 器 过 滤 器 据 链 路 空 间内 核 空 间拷 贝 收 到 的 数 据 包拷 贝 发 送 的 数 据 包图 3 3 3 2 23 2 23 2 2 是一个在链路层的数据捕获机制的函数库 ， 主要由 数 据过 滤 器 ( 网 络分 接 头 ( 部 份组 成 ，数 据 过滤 器 决定 是 否接 收 该数 据 包， 网 络分 接 头拷 贝 从网 络 设备 驱 动程 序 中接 收 数据 包 。网卡捕获及发送数据包进行备份 。当网口有数据包到达时 ， 由 然后将收到的数据包传 送给 器， 用户在 置过 滤规则 ，对接 收的数 据包进 行过滤 ，如果匹 配成功 ，数据 包经过 内核空 间传送 到用户 空间中 相应的 应用程 序；如 果匹配 不成 功，数据直接丢弃 25。图 35华中科技大学硕士学位论文编 译 过 滤 字 符 串设 置 过 滤 器捕 获 数 据 包缓 冲 区 满 或 者 超 时 时 间 到 显 示 捕 获 到 的 数 据 包打 开 网 络 设 备结 束查 找 有 效 的 网 络 设 备 1 ）查找捕获网络设备 ：在 捕获到的以太网网卡的设备名。如果系统中有多个设备，会返回当前网络设备名的指针列表。2 ） 初始化网络设备 ： 对网络设备进行 捕获 ， 获取网络地址和子网掩码 ， 使用文件 描述符对 设备 进行 区分，命名该 捕获设备为 “会话 ”。3 ） 创建 过滤规则 ： 若 只想 捕获 特定的 数据包 ， 这个过程分为三个相互紧密关联的阶段： 将一个字符串设置为过滤 规则，并且被 编译 成能被 格式 ，在程序里调用一个数据包的处理函数 。 然后 ， 通知 过滤出所要的那一个会话。4 ）执行循环：在这个阶段内 当它收到一个包就调用另一个已经定义处理数据包的 函数，这个函数可以实现任何要求，它可以 处理 所 捕获 的包并打印出结果， 也 可将结果保存为一个文件。5 ）关闭会话：在 捕获 到所需的数据后， 结束 会话。 具有连接线少 ，