基于CPCI總線的串口服務器模塊設計與實現

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議簡單和可靠性高等特點，在工業生產、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，無法進行遠程數據傳輸和監控，無法接入主流的TCP/IP 網絡等[1,2]。以太網通信已滲透到各行各業中，與串口通信相比，以太網的傳輸距離遠、速率高和擴展方便，人們需要一種能使傳統的串口通信設備快速接入以太網的手段。

串口服務器可以實現串口數據與以太網數據之間的雙向轉換，使傳統的串口通信設備快速接入以太網，實現對串口通信設備的遠程監控和數據共享功能。CPCI 總線是在PCI 總線技術基礎上發展而來，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，同時實現與多路串口設備的數據交互。

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實現串口數據與以太網數據間通信格式和通信協議的相互轉換，使串口通信設備快速接入以太網，便入遠程通信和集中監控；

②實現對客戶端串口的擴展，通過網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、數據處理和環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，數據實時處理和轉發；

③環境適應性：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，通信協議規定硬件板卡與客戶端軟件間交互的數據內容和格式。

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，實現數據處理、轉發和接口控制等功能。處理器采用Freescale 的PowerPC 處理器MPC8309，這是一款面向工業和網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；端口收發模塊進行電平轉換，將TTL 電平轉換成適合在線纜上傳輸的電平信號。電源單元包括復位、時鐘和電源轉換模塊，分別為硬件系統提供復位、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，分為系統支撐層和應用層2 層。系統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 協議棧[6]、數據處理轉發以及系統管理3 部分，如圖3 所示。

圖3 串口服務器模塊板載軟件結構

數據處理轉發模塊根據串口和以太網通信協議要求完成二者之間數據格式轉換，它將收到的網絡數據包按照規定的協議解包，提取其中的串口數據和目標串口序號等信息，重新組成串口數據發送到相應的串口設備；同理，當收到串口數據時，則會將串口數據和源串口序號打包成網絡數據格式，發送給對應的主機。系統管理模塊根據客戶端軟件下發的配置管理命令，對串口服務器模塊的參數進行設置和查詢，并反饋系統運行狀態等信息。串口數據與網口數據的收發處理流程如圖4 所示。

圖4 串口服務器模塊數據處理流程

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

串口數據收發通過中斷方式實現，程序為每個串口分配一個數據發送緩沖區和數據接收緩沖區，2個緩沖區各自利用一個隊列，用于數據維護。串口發送中斷子程序實現如下所示：

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形式和操作模式；另一個是網絡驅動模塊，面向網絡服務，它接收串口虛擬模塊發送的串口數據，按照規定的協議轉換成網絡數據包，通過網口發給硬件板卡，反之，對于來自硬件板卡的網絡數據，網絡驅動模塊從中提取串口信息和業務數據，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進行設置和查詢，并實時顯示對串口服務器模塊工作狀態的監控信息。

5 優勢對比及應用

5.1 與其他系統的比較

串口服務器模塊在單塊CPCI 板卡上實現串口服務器的功能，與傳統串口服務器相比有以下優勢：

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 網絡，實現遠程控制和數據共享功能。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，即可通過一個網口擴展出多路串口。

6 結束語

本文設計并實現的串口服務器模塊，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，經測試，模塊運行穩定、可靠性高和使用方便。

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[6]郭傳雄,鄭少仁.對Linux 操作系統中TCP/IP 網絡協議的IP 層排隊分析[J].計算機學報，2001,24(8):1- 5.

[7]李 超.嵌入式串口服務器的設計與實現[D].湖北:武漢理工大學,2009.

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