基于LPC2103的串口服務(wù)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院 崔二勇 簡(jiǎn)獻(xiàn)忠 蔡晶晶 趙俊艷 唐唯喬 谷 亮

基于LPC2103的串口服務(wù)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院 崔二勇 簡(jiǎn)獻(xiàn)忠 蔡晶晶 趙俊艷 唐唯喬 谷 亮

為了將具有串口功能的設(shè)備適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的要求，提出了一種基于LPC2103的串口服務(wù)器的設(shè)計(jì)方法。先從物理接口機(jī)制方面對(duì)串口服務(wù)器進(jìn)行了概述，然后從系統(tǒng)硬件和軟件兩方面對(duì)基于LPC2103的串口服務(wù)器進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，最后對(duì)該串口服務(wù)器進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，基于LPC2103的串口服務(wù)器設(shè)計(jì)具有嵌入式產(chǎn)品的特點(diǎn)，滿足物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用要求，為串口服務(wù)器設(shè)計(jì)提供了一種設(shè)計(jì)方法。

串口服務(wù)器；LPC2103；物聯(lián)網(wǎng)；TCP/IP

1.引言

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分。其英文名稱是“The Internet of things”。由此，顧名思義，“物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。這有兩層意思：第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；第二，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信。因此，物聯(lián)網(wǎng)的定義是通過(guò)射頻識(shí)別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

電子系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中扮演著越來(lái)越重要的角色，工業(yè)中的控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)帶來(lái)了生產(chǎn)力的飛速提升，生活中的門禁系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、POS消費(fèi)系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)帶來(lái)了生活的高效和便捷。這些電子系統(tǒng)通常由控制主機(jī)以及各各樣數(shù)量繁多的傳感器、檢測(cè)器等設(shè)備組成。在這些系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)中，設(shè)備的運(yùn)行控制和設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸是其中最重要的環(huán)節(jié)，而這兩者都要依賴于設(shè)備間的互聯(lián)通信。在各種電子系統(tǒng)中，以RS-232和RS-485為代表的串行通信方式因其易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)的特點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。但是，伴隨物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的傳感器、檢測(cè)器等設(shè)備投入到應(yīng)用中，設(shè)備間的互聯(lián)要求變得越來(lái)越高，設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化成為主要的發(fā)展趨勢(shì)，而傳統(tǒng)的串行通信方式逐漸暴露出其傳輸速率低、傳輸距離近、網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的缺點(diǎn)。與此同時(shí)，Internet技術(shù)逐漸發(fā)展完善，TCP/IP網(wǎng)絡(luò)迅速普及，其寬帶傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)接入后的無(wú)限傳輸距離以及成熟的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn)使之成為升級(jí)串行通信方式的首選改造方案。當(dāng)前，在生產(chǎn)生活中廣泛使用的以串行通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信的設(shè)備往往不具備網(wǎng)絡(luò)接口，將這些設(shè)備更換升級(jí)，使之具有網(wǎng)絡(luò)接口會(huì)耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力，產(chǎn)生巨大的改造成本；而在一些串口通信足以滿足需求，只有少量設(shè)備需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化的環(huán)境下，把所有設(shè)備進(jìn)行升級(jí)也是一種浪費(fèi)。

因此如何通過(guò)外部模塊或設(shè)備，利用現(xiàn)有的通信接口如何來(lái)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，以適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的要求是一個(gè)具有創(chuàng)新的理論及實(shí)踐意義的課題。本文本文提出了一種以高性能微處理器ARM7TDMI-S芯片LPC2103和以太網(wǎng)控制芯片DM9000AE為核心的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，把從串口(RS-232)中接收的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸，達(dá)到了遠(yuǎn)程控制，遠(yuǎn)程通信的目的，提高了傳輸數(shù)據(jù)的抗干擾性，節(jié)省了更新?lián)Q代成本

2.串口服務(wù)器設(shè)計(jì)

2.1 物理接口設(shè)計(jì)概述

串口服務(wù)器是一種通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器，它設(shè)有兩類通信端口：一類是標(biāo)準(zhǔn)RS232/422/485格式的串行端口，遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊通過(guò)串行控制總線接入串口服務(wù)器的此類端口；另一類是RJ45以太網(wǎng)口，通過(guò)網(wǎng)線將串口服務(wù)器接入局域網(wǎng)的交換機(jī)等設(shè)備中，因上位監(jiān)控機(jī)亦連入此局域網(wǎng)，故可對(duì)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)單元進(jìn)行運(yùn)行數(shù)據(jù)采集及實(shí)時(shí)控制。若局域網(wǎng)接入了路由器等設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)廣域網(wǎng)范圍的遠(yuǎn)程監(jiān)控。有的串口服務(wù)器以太網(wǎng)口數(shù)目為兩個(gè)，這樣通過(guò)自身的以太網(wǎng)口就可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的互聯(lián)，可以省去交換機(jī)等設(shè)備。串口服務(wù)器在工作中可自動(dòng)的將RS232/422/485格式的串行數(shù)據(jù)與基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包進(jìn)行透明轉(zhuǎn)換。一方面，串口服務(wù)器收到來(lái)自某一串行端口的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，端口號(hào)判斷完畢后將其連同實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)一并打入TCP/UDP數(shù)據(jù)包，加入報(bào)頭地址通過(guò)以太網(wǎng)口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)上傳；另一方面，串口服務(wù)器在局域網(wǎng)中捕獲合法的數(shù)據(jù)協(xié)議包，通過(guò)解包解析出有效控制信息，通過(guò)監(jiān)控機(jī)指定的串行端口將控制命令以串行數(shù)據(jù)的方式傳送給遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制單元。服務(wù)器模型如圖1所示。

圖1 串口服務(wù)器模型

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由三大模塊組成，分別是由微處理器芯片LPC2103構(gòu)成的MCU模塊，由網(wǎng)口控制芯片DM9000AEP和含RI45和網(wǎng)絡(luò)變壓器的HR911105A的網(wǎng)口模塊，由串口控制芯片MAX232與RS-232接口構(gòu)成的串口模塊。設(shè)備發(fā)送過(guò)來(lái)的信息通過(guò)串口模塊之后，送入MCU進(jìn)行處理，然后通過(guò)網(wǎng)口模塊發(fā)送至以太網(wǎng)進(jìn)行顯示，如圖2所示為服務(wù)器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。

圖2 串口服務(wù)器系統(tǒng)框圖

2.2.1 MCU模塊

LPC2103是PHILIPS公司最新推出的基于ARM7TDMI-S、LQFP48封裝的LPC2103，最高工作速度可達(dá)70MHz，32KB的片內(nèi)FLASH程序存儲(chǔ)器和8K的片內(nèi)靜態(tài)RAM。通過(guò)片內(nèi)boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)ISP/IAP編程。

LPC2103的10位A/D轉(zhuǎn)換器提供8路模擬輸入，低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘具有獨(dú)立的電源和特定的32768HZ時(shí)鐘輸入，多達(dá)32個(gè)通用I/O口(可承受5V電壓)，可通過(guò)個(gè)別使能/禁止外圍功能外圍時(shí)鐘分頻來(lái)優(yōu)化額外功耗。較小的封裝和很低的功耗使LPC2103特別適用于訪問(wèn)控制和POS機(jī)等小型應(yīng)用中；由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口和8KB的片內(nèi)SRAM，非常適合于通信網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉(zhuǎn)換器的研制，在本串口服務(wù)器的設(shè)計(jì)中，MCU的設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 串口服務(wù)器的MCU模塊

2.2.2 串口模塊

幾乎所有的微控制器PC都提供串行接口，使用電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)推薦的RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)RS-232-C是一種很常用的串行數(shù)據(jù)傳輸總線標(biāo)準(zhǔn)，采用的接口是3芯插頭，通過(guò)3芯插頭再連接到標(biāo)準(zhǔn)的9芯D型插座上。由于RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)所定義的高低電平信號(hào)與lpc2103系統(tǒng)的LVTTL電路所定義的高低電平信號(hào)完全不同，所以，兩者間要進(jìn)行通信必須經(jīng)過(guò)信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換目前常使用的電平轉(zhuǎn)換芯片為MAX232。將MAX232的10,11腳分別接至LPC2103的13,14腳。具體設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 串口通訊接口

2.2.3 網(wǎng)口模塊

是一款高集成度且成本較低的單片快速以太網(wǎng)媒體介質(zhì)訪問(wèn)層MAC控制器，上有通用處理器接口，10M/100M物理層和16KbyteSRAM，低功耗、高性能IO管腳兼容3.3/5.0V電壓。DM9000AEP合成了以太網(wǎng)MAC、物理層PHY和MMU，內(nèi)置AUTOMDI2X功能10/100MPHY，芯片可以根據(jù)處理器提供8/16/32bit3種連接方式實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)MAC層和PHY層的功能。

以太網(wǎng)變壓器HR911105A主要包含了RJ45和網(wǎng)絡(luò)變壓器RJ45連接器俗稱水晶頭，就是連接網(wǎng)卡或HUB的那個(gè)透明的插頭，是用來(lái)連接雙絞線的兩端RJ45是一種網(wǎng)絡(luò)接口規(guī)范，類似的還有RJ11接口，就是平常所用的電話接口，用來(lái)連接電話線雙絞線的兩端必須都安裝這種RJ45插頭，以便插在網(wǎng)卡(NIC)集線器(Hub)或交換機(jī)(Switch)的RJ45接口上，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊。網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 DM9000AE構(gòu)成的以太網(wǎng)控制電路

2.2.4 下載口模塊

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用10針的JTAG接口作為下載口，如表1接口的管腳和lpc2103的管腳相連接。

表1 JTAG接口與LPC2103的管腳對(duì)應(yīng)

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)UDP/IP通信，還要實(shí)現(xiàn)和串口交換數(shù)據(jù)，若用一般的前后臺(tái)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)起來(lái)將是相當(dāng)復(fù)雜，而且性能也要受到影響。因此，在設(shè)計(jì)中采用了嵌入式操作系統(tǒng)，把需要實(shí)現(xiàn)的各種功能分解成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的任務(wù)，按照任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，使各個(gè)任務(wù)獨(dú)占CPU來(lái)運(yùn)行。任務(wù)之間通過(guò)信號(hào)量、消息隊(duì)列、郵箱等進(jìn)行通信，這樣既保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，又簡(jiǎn)化了實(shí)現(xiàn)的難度。又簡(jiǎn)化了實(shí)現(xiàn)的難度。

串口服務(wù)器的軟件系統(tǒng)完成的功能主要有：進(jìn)行硬件初始化，包括對(duì)網(wǎng)絡(luò)接口芯片DM9000AE和主控芯片LPC2103的進(jìn)行初始化、參數(shù)配置；協(xié)議透明轉(zhuǎn)換，完成串行數(shù)據(jù)與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換；通過(guò)LED進(jìn)行工作狀態(tài)指示。具體的軟件流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

圖7 系統(tǒng)測(cè)試示意圖

4.實(shí)驗(yàn)

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，發(fā)送收發(fā)數(shù)據(jù)按照事先約定的協(xié)議“開(kāi)始碼+數(shù)據(jù)長(zhǎng)度+類型+數(shù)據(jù)+結(jié)束碼”的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，開(kāi)始前用UDP網(wǎng)絡(luò)調(diào)試工具，勾上按十六進(jìn)制發(fā)送即網(wǎng)絡(luò)和串口數(shù)據(jù)雙向發(fā)送了。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)向串口發(fā)和串口向網(wǎng)絡(luò)發(fā)數(shù)據(jù)均正常，從而驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的正確性，測(cè)試如圖7所示。

5.結(jié)論

通過(guò)本系統(tǒng)的研究表明，串口和網(wǎng)口的通信正常，實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性都實(shí)現(xiàn)得較好，并且硬件電路制作簡(jiǎn)單，功耗較低，工作穩(wěn)定。本系統(tǒng)串口服務(wù)器可以進(jìn)行串口和網(wǎng)口的通信，可以通過(guò)以太網(wǎng)遠(yuǎn)程管理串口設(shè)備，也可以把串口設(shè)備返回的數(shù)據(jù)封裝成IP數(shù)據(jù)包，然后通過(guò)網(wǎng)口傳輸至網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)時(shí)地顯示串口設(shè)備的工作狀態(tài)。由于串口服務(wù)器具有使用方便、組網(wǎng)便捷、投資經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，是用以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信的最佳產(chǎn)品選擇，將在工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)、智能樓宇、通信和交通等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

[1]任哲.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)C/OS-II原理及應(yīng)用(第2版)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社.

[2]徐愛(ài)鈞.IAR EWARM V5嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用編程與開(kāi)發(fā)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2009.

注：本課題來(lái)源于2012年上海市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的串口服務(wù)器設(shè)計(jì)”（項(xiàng)目編號(hào)：SH201210252045）。