基于W5500的串口服務(wù)器設(shè)計(jì)及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

羅毅

（貴州航天凱山石油儀器有限公司，貴陽550009）

1 串口服務(wù)器簡(jiǎn)介

串口服務(wù)器又叫串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，是為RS-232/485串口到TCP/IP網(wǎng)絡(luò)之間完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)耐ㄐ沤涌谵D(zhuǎn)換器，提供RS-232/485終端串口與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)雙向透明傳輸，提供串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)功能，RS-232/485串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)的解決方案可以讓串口設(shè)備方便、快捷的接入互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

2 W5500簡(jiǎn)介

W5500是韓國WIZnet公司生產(chǎn)的一款全硬件TCP/IP嵌入式以太網(wǎng)控制器，為嵌入式系統(tǒng)設(shè)備提供了簡(jiǎn)易的互聯(lián)網(wǎng)連接方案。W5500集成了TCP/IP協(xié)議棧，10/100M以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層（MAC）及物理層（PHY），使得用戶使用單芯片就能夠拓展實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接功能。

W5500內(nèi)嵌32K字節(jié)數(shù)據(jù)緩存用于緩存以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，最多支持8個(gè)硬件Socket獨(dú)立通訊。W5500提供了SPI（外設(shè)串行接口）從而能夠更加容易與外設(shè)MCU整合。高效SPI協(xié)議支持80MHz速率，從而能夠更好地實(shí)現(xiàn)高速網(wǎng)絡(luò)通信。以太網(wǎng)控制芯片W5500具有以下特點(diǎn)：①支持硬件TCP/IP協(xié)議 ：TCP、UDP、ICMP、IPv4、ARP、IGMP、PPPoE 和 以 太 網(wǎng) 的PHY和MAC層；②支持8個(gè)獨(dú)立的Socket同時(shí)工作，可同時(shí)工作在不同的工作模式；③支持高速SPI接口，SPI的時(shí)鐘最高可達(dá)80MHz，極大地提高了網(wǎng)絡(luò)通訊的數(shù)據(jù)傳輸速率；④內(nèi)部集成32KB存儲(chǔ)器用于發(fā)送/接收緩存；⑤內(nèi)嵌10BaseT/100BaseTX以太網(wǎng)物理層（PHY）；⑥支持自動(dòng)協(xié)商（10/100Based全雙工/半雙工）。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

串口服務(wù)器主要由MCU、以太網(wǎng)控制器、硬件看門狗和線性穩(wěn)壓器組成。其中MCU選用M3處理器LPC1763，該處理器主頻達(dá)到100MHz，內(nèi)置256Mflash和64K RAM，還具有多個(gè)SPI和RS232等串行接口，完全能夠滿足串口服務(wù)器設(shè)計(jì)需求。為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，串口服務(wù)器還配置了獨(dú)立的硬件看門狗CAT706。系統(tǒng)采用5V供電，內(nèi)置3.3V穩(wěn)壓器LM1117。系統(tǒng)下行通過RS-232接口與底層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，上行通過RJ45接口接入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

為確保串口服務(wù)器對(duì)各種中斷能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)，系統(tǒng)軟件采用UCOSⅡ嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)功能，系統(tǒng)建立了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)中斷處理任務(wù)及串口數(shù)據(jù)接收處理任務(wù)3個(gè)任務(wù)進(jìn)程，其中串口數(shù)據(jù)接收處理任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)中斷處理任務(wù)平時(shí)處于掛起狀態(tài)，只有當(dāng)串口接收到數(shù)據(jù)或接收到W5500的中斷事件信號(hào)時(shí)才執(zhí)行[1]。幾個(gè)任務(wù)的主要功能如下：

網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)任務(wù)：定時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，處理網(wǎng)絡(luò)斷開重連、TCP Server模式下接收到Client連接請(qǐng)求、TCP模式下接收到對(duì)方斷開請(qǐng)求及UDP模式下“OPEN”命令生效等網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)事件。同時(shí)查看并處理網(wǎng)絡(luò)異常中斷事件，讓網(wǎng)絡(luò)連接在異常狀態(tài)下恢復(fù)。

網(wǎng)絡(luò)中斷處理任務(wù)：響應(yīng)并處理以太網(wǎng)接收到數(shù)據(jù)事件、網(wǎng)絡(luò)Socket連接建立成功、接收到對(duì)方網(wǎng)絡(luò)斷開請(qǐng)求、接收到數(shù)據(jù)發(fā)送成功應(yīng)答等網(wǎng)絡(luò)正常中斷事件。該任務(wù)平時(shí)處于掛起狀態(tài)，只有當(dāng)接收到網(wǎng)絡(luò)正常中斷信號(hào)才執(zhí)行。

串口數(shù)據(jù)接收處理任務(wù)：通過中斷方式接收底層數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)將數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)控制器數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)。該任務(wù)平時(shí)處于掛起狀態(tài)，只有當(dāng)接收到串口數(shù)據(jù)幀才執(zhí)行。

4 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵功能代碼（C語言）

MCU接收到W5500的網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)中斷信號(hào)，先用過“Read_SOCK_2_Byte”函數(shù)提取接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)長度信息，并判斷數(shù)據(jù)長度是否合法。若數(shù)據(jù)長度合法，則通過“Read_SOCK_2_Byte”函數(shù)提取接收數(shù)據(jù)在接收緩沖區(qū)內(nèi)的偏移量，分別根據(jù)接收數(shù)據(jù)長度及偏移量判斷接收數(shù)據(jù)是否溢出，根據(jù)溢出情況讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，再將讀取到的數(shù)據(jù)填充到MCU的數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)等待處理。

5 多鏈路通訊功能實(shí)現(xiàn)

許多情況下，要求設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)工控設(shè)備具備多鏈路訪問機(jī)制，多鏈路訪問機(jī)制首先需要工控設(shè)備支持多鏈路訪問，并且要求設(shè)備能夠智能識(shí)別當(dāng)前訪問上位機(jī)，并對(duì)應(yīng)應(yīng)答當(dāng)前訪問設(shè)備的上位機(jī)。雖然串口服務(wù)器支持多鏈路訪問機(jī)制，但串口服務(wù)器與底層數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，所以如何識(shí)別底層數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)幀對(duì)應(yīng)哪個(gè)上位機(jī)成為多鏈路通訊功能的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)。

Modbus通信協(xié)議已成為工控行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，Modbus通訊協(xié)議規(guī)定上位機(jī)具有數(shù)據(jù)讀寫主動(dòng)權(quán)，而下位機(jī)全被動(dòng)的響應(yīng)上位機(jī)的數(shù)據(jù)讀寫命令，串口服務(wù)器通過Socket鏈路激活機(jī)制實(shí)現(xiàn)了Modbus協(xié)議下的多鏈路通訊功能。當(dāng)串口服務(wù)器接收到上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀時(shí)，將當(dāng)前Socket鏈路激活一段時(shí)間，該期間內(nèi)接收到底層數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)上傳的應(yīng)答數(shù)據(jù)幀，串口服務(wù)器檢測(cè)當(dāng)前是否有Socket鏈路處于激活狀態(tài)，如果有已激活的Socket鏈路，則只將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到已激活Socket鏈路對(duì)應(yīng)的上位機(jī)，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，關(guān)閉該鏈路的激活狀態(tài)。

6 在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，使得物聯(lián)網(wǎng)成為可能，我們周邊的電子設(shè)備終將接入物聯(lián)網(wǎng)信息平臺(tái)。通常電子設(shè)備功能很少涉及網(wǎng)絡(luò)通信功能的應(yīng)用，串口服務(wù)器為電子設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)提供了簡(jiǎn)單快捷的解決方案。串口服務(wù)器技術(shù)在油井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)及數(shù)字化抽油機(jī)控制柜等產(chǎn)品上得到了成功應(yīng)用。