工業(yè)控制中，各設備的信號采集和監(jiān)控只靠串口總線難以實現(xiàn)擴展，要將現(xiàn)場控制網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡相連，就需要解決串口通信協(xié)議和因特網(wǎng)通信協(xié)議的轉換問題，即把原有設備轉換為具備網(wǎng)絡接口的外設，這樣可以將傳統(tǒng)串行鏈路上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔⒕W(wǎng)絡上，而無需更換原有設備。如此，可以提高原有設備利用率、增加多終端連接數(shù)、節(jié)約成本、簡化布線的復雜度及延長通信距離。

近年來，因信息化和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的需要，串口服務器大量涌現(xiàn)，它們不占用主機資源，且具有終端服務器的功能。不過，設備體積龐大、價格昂貴、串口不易裁剪或擴展、傳輸大量數(shù)據(jù)幀時丟包、參數(shù)配置繁雜等問題也隨之出現(xiàn)。

本設計采用的串口服務器的核心設備--樹莓派，是一款體積小、價格便宜但功能非常強大的平臺，可通過多種通信方式接入互聯(lián)網(wǎng)，支持多種完整網(wǎng)絡協(xié)議，結合USB-hub及USB/串口轉換器使用，可保證串口服務器使用方便，并實現(xiàn)實時、準確、長時間穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。

1 總體設計

根據(jù)當今工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸需求，應具備的技術指標和設置參數(shù)如下。

1.1 技術指標

①主控芯片：32位700 MHz的ARM1176JZF-S處理器；

②操作系統(tǒng)：Linux;

③支持協(xié)議：TCP/IP、UDP、HTTP、FTP;

④網(wǎng)絡接口：10/100 Mbps自適應以太網(wǎng)接口；

⑤串口類型：1~16個RS 232/RS485/RS422接口，1個TTL電平串口；

⑥參數(shù)配置方式：WEB瀏覽器配置；

⑦會話數(shù)：支持多連接，滿足5個以內用戶同時管理一個模塊設備；

⑧工作模式：TCP客戶端、TCP服務器、UDP廣播模式；

⑨指示燈：電源指示燈、通信指示燈；

⑩供電電壓：5 V.

1.2 設置參數(shù)

該設備選擇WEB瀏覽器設置方式，內置WEB服務器，用戶可進行IP地址、串口通信參數(shù)、工作模式等的管理和配置。以下主要介紹串口通信和工作模式參數(shù)的設置。

（1）串口通信參數(shù)

①波特率為2 400~115 200 bps;

②數(shù)據(jù)位為6/7/8/9;

③校驗位為None/Even/Odd;

④停止位為1/1.5/2;

⑤成幀長度為1~15000字節(jié)；

⑥成幀間隔為30~500位。

其中，成幀長度指每一幀接收數(shù)據(jù)的長度，接收端緩沖區(qū)一旦接收到該長度的數(shù)據(jù)就轉發(fā)出去；成幀間隔就是所謂的串口超時，超時時間T（s）、成幀間隔N（位）、波特率B（b/s）的關系如下。一旦超時，不管已有數(shù)據(jù)長度是不是達到成幀長度，接收端緩沖區(qū)就將已有數(shù)據(jù)組幀轉發(fā)出去。

T= N/B （1）

（2）工作模式參數(shù)

①單個串口支持會話數(shù)為1~5個，每個會話模式間相互獨立；

②TCP服務器模式為綁定端口范圍為1025~65535;

③TCP客戶端模式為需配置目標服務器IP、端口及自動重連時間，其中自動重連時間指網(wǎng)絡連接中斷或者服務器異常時，重新發(fā)起主動連接的時間間隔，循環(huán)自動重連直到正常連接上為止；

④UDP廣播模式為需配置本地端口、目標服務器IP和目標端口。

2 硬件設計

此串口服務器根據(jù)以上指標選用最新的樹莓派、USB-hub及北京世紀聯(lián)信公司生產(chǎn)的USB/四串口轉換器組合而成。

2.1 硬件結構組成

串口服務器硬件結構組成如圖1所示，樹莓派具有兩個USB接口、一個TTL串口及一個10/100 MHz自適應以太網(wǎng)接口。一個USB接口通過USB-hub和n（可據(jù)情況選擇，最多時n=4）個USB/串口轉換器擴展出4n個RS232/RS422/RS455串口，另一個可外接無線USB網(wǎng)卡，從而實現(xiàn)局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)中有線或無線數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 硬件結構框圖

2.2 樹莓派簡介

樹莓派（Raspberry Pi）是一款基于Linux系統(tǒng)的只有一張信用卡大小的單板計算機，配備一枚博通生產(chǎn)的700 MHzARM架構BCM2835處理器，512 MB內存，使用SD卡當作存儲介質，操作系統(tǒng)采用開源的Linux系統(tǒng)，提供并支持Python作為主要編程語言。

2.3 USB-hub簡介

USB-hub（USB集線器）是一個將多個USB設備連接到計算機上的USB接口或另一個USB集線器上某時候，它們都來自于主板內部一個或者兩個主USB接口，而不是相互獨立的硬件。一個USB接口、一個USB集線器和若干個外圍設備可以構建一個USB網(wǎng)絡。本系統(tǒng)選用的USB-hub由一個USB接口擴展出4個USB接口。

2.4 USB/串口轉換器簡介

USB/串口轉換器選用北京世紀聯(lián)信LENSYS-USB2COM-4模塊。它是一種導軌安裝式串口擴展模塊，實現(xiàn)了用USB口擴展4串口的功能，可以通過USB快速擴展四個計算機串口，通過撥碼開關設定RS 232/422/485接口方式，還可以實現(xiàn)4個RS 232轉4個RS422/485的功能。通過該模塊能夠可靠、實時、便捷地完成工業(yè)現(xiàn)場RS232/485/422信號的傳輸和轉換，廣泛應用于石油天然氣、水利、電力調度、市政調度等行業(yè)。

　　3 軟件設計

此串口服務器軟件設計基本結構如圖2所示，客戶端只是WEB瀏覽器，軟件設計則主要體現(xiàn)為服務器端的網(wǎng)頁展現(xiàn)、業(yè)務邏輯和數(shù)據(jù)存儲。

WEB服務器負責串口服務器通信參數(shù)的手動配置和存儲、通信程序的手動啟停等；應用服務器負責實現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡與串行接口設備的互通，完成TCP/IP協(xié)議格式的數(shù)據(jù)與串行數(shù)據(jù)間的相互轉換；數(shù)據(jù)庫主要包含用戶管理數(shù)據(jù)表、串口參數(shù)配置數(shù)據(jù)表、工作模式配置數(shù)據(jù)表。

圖2 軟件設計基本結構圖

下面介紹串口服務器軟件設計中3個主要任務：WEB服務器的設計、WEB配置頁面的設計和串口聯(lián)網(wǎng)通信程序的設計。

3.1 WEB服務器的設計

由于串口數(shù)量較多，所以在樹莓派中植入WEB服務器，由WEB服務器將用戶的請求轉換為對后臺數(shù)據(jù)的查詢或更新，并將友好的圖形界面在瀏覽器上展示給用戶，實現(xiàn)簡便統(tǒng)一的遠程通信參數(shù)配置、設備管理、用戶管理、監(jiān)控串口服務器運行狀態(tài)。

本串口聯(lián)網(wǎng)服務器選擇樹莓派自帶的Python作為開發(fā)語言，采用小巧而靈活的web.py開發(fā)框架提供HTTP服務，其輕量級滿足采集系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸模塊的要求，可以提高系統(tǒng)的使用效率，WEB服務器設計流程如圖3所示。

圖3 WEB服務器設計流程

設備上電或系統(tǒng)重啟后，WEB服務自動啟動，并初始化WEB服務器所需顯示和配置的信息，用戶通過瀏覽器訪問系統(tǒng)指定端口進行登錄認證即可訪問參數(shù)配置頁面。其中，設備信息和網(wǎng)絡信息通過系統(tǒng)文件管理器進行查看和配置，用戶信息、串口參數(shù)和工作模式信息通過數(shù)據(jù)庫進行讀寫，幫助信息則通過FTP服務器進行串口服務器說明手冊、公司服務信息等文檔下載。

3.2 WEB配置頁面設計

WEB配置頁面即WEB服務器的展示層，如圖4所示，掃描出的串口數(shù)表明該串口服務器帶有16個串口，每個串口配置相互獨立。

圖4 WEB配置界面

由于配置程序設計采取工作模式配置與串口參數(shù)配置相關聯(lián)，如果選用前3個串口，則工作模式配置中只顯示此3個串口的工作模式配置界面，如圖5所示。

圖5 工作模式配置界面

以上配置方式可方便實現(xiàn)批量配置，配置完成后可生成配置信息查看界面，如圖6所示，該界面還可進行選中串口的通信參數(shù)、工作模式的編輯和刪除。

圖6 配置信息查看界面

3.3 串口聯(lián)網(wǎng)通信程序設計

WEB服務器完成配置工作后，即可啟動通信程序進行數(shù)據(jù)通信工作，具體實現(xiàn)流程如圖7所示。此程序在設備上電或系統(tǒng)重啟后自動啟動，讀取用戶配置的串口通信和工作模式參數(shù)后，進入通信程序無限循環(huán)，圖中進程數(shù)即現(xiàn)場應用所配置的串口總數(shù)。其中N為串口服務器串口數(shù)，M（M≤W）為N個串口中使用的串口數(shù)；n為各自編號，I為進程編號；S為所配會話數(shù)，s為線程編號。

圖7 串口服務器通信程序工作流程

3種工作模式中，TCP服務器和TCP客戶端同屬TCP協(xié)議傳輸程序，其數(shù)據(jù)幀收發(fā)處理過程都采用同一種思想，下面介紹TCP、UDP協(xié)議傳輸程序和數(shù)據(jù)幀轉發(fā)程序的設計：

3.3.1 TOP協(xié)議傳輸程序設計

TCP協(xié)議傳輸程序涉及到服務器端和客戶端的設計。

服務器端程序設計：

①建立一個socket,選擇類型INET及TCP連接方式；

②讀取配置端口進行綁定監(jiān)聽，等待客戶端主動連接；

③設置監(jiān)聽隊列大??；

④進入一個無限循環(huán)，使用accept（）等待客戶連接，返回的新連接對應于客戶端IP,建立通信信道；

⑤進入無限子循環(huán)，通過sendall（）及recv（）進行讀寫操作。

客戶端程序設計：

①建立一個socket,選擇類型及連接方式同服務器端；

②讀取配置所配置遠程服務器IP及端口；

③進入無限循環(huán)，使用connect（）連接遠程服務器，若連不上，達到所配置超時間隔后再次重連；

④連接成功后進入無限子循環(huán)，通過sendall（）及recv（）進行讀寫操作。

3.3.2 UDP協(xié)議傳輸程序設計

UDP傳輸稱為無連接傳輸，不存在TCP中的三次握手和錯誤重傳機制，其傳輸程序需同時讀取所配置的本地IP和端口、遠程IP和端口，建立數(shù)據(jù)報形式的socket后可同時作為發(fā)送端和接收端。作為發(fā)送端時，sendto（）發(fā)送地址為遠程接收端IP和端口，作為接收端時公開本地IP和端口，recvfrom（）等待遠程發(fā)送端的數(shù)據(jù)到來，可以接收任何地址發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包。

3.3.3 數(shù)據(jù)幀轉發(fā)程序設計

串口服務器功能模塊實現(xiàn)了串行鏈路數(shù)據(jù)與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉換的功能：一方面，接收來自串行鏈路的數(shù)據(jù)幀，并將其轉化為以太網(wǎng)鏈路數(shù)據(jù)幀后發(fā)出；另一方面，接收來自以太網(wǎng)鏈路的數(shù)據(jù)幀，并將其轉化為串行鏈路數(shù)據(jù)幀后發(fā)出。以上兩個通信過程并行執(zhí)行，在程序設計中采取多線程實現(xiàn)方式。

（1）網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的接收

每種通信模式下，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的接收都在指定的回調函數(shù)中實現(xiàn)，TCP通信接收函數(shù)為recv（），而UDP通信中為recvfrom（）。當數(shù)據(jù)幀長度積累到指定的接收緩沖區(qū)大小或達到串口超時還不足指定數(shù)據(jù)幀長度，立即調用實例化后的串口發(fā)送函數(shù)write（），即可將緩沖區(qū)中接收到的數(shù)據(jù)通過串口轉發(fā)。

（2）網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的發(fā)送

接收串口數(shù)據(jù)時調用串口接收函數(shù)read（），當數(shù)據(jù)幀長度達到串口接收緩沖區(qū)大小或串口超時，立即調用網(wǎng)絡發(fā)送函數(shù)把該緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)幀通過網(wǎng)口轉發(fā)，其中TCP通信發(fā)送函數(shù)為sendall（），而UDP通信為sendto（）。

結語

經(jīng)全面測試合格后，目前本串口服務器已經(jīng)成功應用到工業(yè)現(xiàn)場，由此可見，本串口服務器支持高頻轉發(fā)、大數(shù)據(jù)幀實時轉發(fā)，可長期、全天候穩(wěn)定運行。