一種新型集線器系統(tǒng)的設計

沈健，潘進

（1.蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學院，江蘇太倉，215411；2.浩科機器人（蘇州）有限公司，江蘇太倉，215400）

0 引言

集線器（HUB）屬于數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的基礎設備，具有流量監(jiān)控、數(shù)據(jù)交換功能，是一種不需任何軟件支持或只需很少管理軟件管理的硬件設備，它被廣泛應用到各種場合。大多數(shù)集線器屬于純硬件網(wǎng)絡底層設備，不具有類似于交換機的"智能記憶"能力和"學習"能力。發(fā)送數(shù)據(jù)時都是沒有針對性的，而是采用廣播方式發(fā)送。也就是說當它要向某節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，不是直接把數(shù)據(jù)發(fā)送到目的節(jié)點，而是把數(shù)據(jù)包發(fā)送到與集線器相連的所有節(jié)點。這種設備的廣播發(fā)送數(shù)據(jù)方式有三方面不足：（1）用戶數(shù)據(jù)包向所有節(jié)點發(fā)送，帶來不安全因素，很容易就能非法截獲他人的數(shù)據(jù)包。（2）由于所有數(shù)據(jù)包都是向所有節(jié)點同時發(fā)送，數(shù)據(jù)傳送過程中容易堵塞，降低了執(zhí)行效率。（3）雙向接口只需要3根線制作，非平衡電路使得RS-232非常的容易受兩設備間基點電壓偏移的影響很容易發(fā)生串話的問題。

本設計利用嵌入式系統(tǒng)設計的一款智能集線器，當節(jié)點提出交換數(shù)據(jù)信息的請求時，數(shù)據(jù)包發(fā)送給對應節(jié)點，其他沒有需求的節(jié)點將不會接收數(shù)據(jù)包，如圖1所示。

圖1 集線器

1 硬件電路設計

1.1 系統(tǒng)總體框圖設計

本集線器是由一個從端口和兩個主端口組成，系統(tǒng)在通電之前，通過對波特率設置開關的設置，確定主從端口數(shù)據(jù)的波特率。集線器上電后通過嵌入式系統(tǒng)檢測串口通信主端口是否有請求信號發(fā)出，請求信號包含連接主端口的設備需要采集的數(shù)據(jù)協(xié)議，當集線器接收到相應主端口發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包后，保存對應主端口號，并將接收過來的數(shù)據(jù)包完整發(fā)送給從端口。連接在從斷口上的設備接收到發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包，進行解析，根據(jù)通信協(xié)議，發(fā)送對應數(shù)據(jù)包所需要的數(shù)據(jù)包給集線器，集線器收到從端口發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包后，根據(jù)保存的主端口號，有選擇的將從端口號的發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包發(fā)送給對應的從端口設備，完成一次數(shù)據(jù)請求發(fā)送的通信。本集線器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖設計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 硬件電路設計

本集線器系統(tǒng)大致分為5個電路模塊，分別是：嵌入式控制核心模塊、多路串口通信模塊、電源電路模塊、串行E2PROM存儲單元模塊、波特率設置開關控制模塊。電源電路模塊給集線器提供3.3V電源，外接電源12～24V電源模塊。波特率設置開關電路通過三路撥碼開關設置8種波特率，確保主從端口接收發(fā)送數(shù)據(jù)波特率一致，波特率設置對應分別是：

STM32F103RBT6內(nèi)置了3個通用同步/異步收發(fā)器，多路串口通信模塊采用SP232EEN芯片，本次串口通信采用三線標準制RXD、TXD和GND，由于本集線器使用在本地設備中而且是點對點，傳輸距離近，所以采用RS232異步串行通信模式。這種通信模式是以字符為傳輸單位，相鄰兩個字符間隔時間不定，接收和發(fā)送的波特率是由三位開關設置。由于主口設備數(shù)據(jù)包格式不一致，我們在編程時不考慮數(shù)據(jù)格式，接收數(shù)據(jù)時采用查詢方式確定數(shù)據(jù)包的字節(jié)數(shù)，并將數(shù)據(jù)包以字符形式存儲在E2PROM隊列里，發(fā)送數(shù)據(jù)時根據(jù)字節(jié)數(shù)到E2PROM隊列里讀取數(shù)據(jù)發(fā)送確保數(shù)據(jù)傳輸不丟包。

串行E2PROM存儲單元模塊采用FM24V02芯片保存讀取端口號及對應傳遞的數(shù)據(jù)包，F(xiàn)M24V02是一款256Kb的3V串行F-RAM存儲器，使用雙線協(xié)議。該FM24V02執(zhí)行寫操作時，沒有寫入延遲發(fā)生，速度快等特點。下一個數(shù)據(jù)循環(huán)可立即開始，而不需要數(shù)據(jù)輪詢。串口通信模塊及存儲模塊如圖3所示。

圖3 串口通信模塊及存儲模塊

2 軟件設計

程序設計要求有：（1）確保接收的數(shù)據(jù)和發(fā)送的數(shù)據(jù)一致；（2）哪個主端口提出數(shù)據(jù)請求，從設備收到數(shù)據(jù)后解析把結(jié)果發(fā)送給對應的端口。由于STM32單片機帶IDLE中斷，所以利用這個中斷，可以接收不定長字節(jié)的數(shù)據(jù)。我們在做數(shù)據(jù)通信的時候通過命令開啟通信，通信要求實時且準確不丟幀。開始是定義了一個大數(shù)組，將該緩存數(shù)組定義成接收的長度，然后每次接收后清除該buff，而且要確保系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)組長度要一定時才不會出錯，但順序會變化，并每次在接收到數(shù)據(jù)后都通過指令memcpy(d,s,strlen(s))復制到隊列中，確保數(shù)據(jù)不丟失。

程序開始運行后，先配置硬件，硬件配置主要是對串口異步通行和E2PROM隊列清零進行配置，然后進入接收數(shù)據(jù)模塊，判斷各路串口是否有數(shù)據(jù)包接收，如果有，則將該數(shù)據(jù)包保存在E2PROM存儲單元隊列中；如果沒有則巡回檢測各路端口是否有數(shù)據(jù)包接收,詳情見圖4；當系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)E2PROM隊列中有新的數(shù)據(jù)包后，就讀取該數(shù)據(jù)包，并清零該隊列，然后將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給指定的端口，詳情見圖5。

3 系統(tǒng)調(diào)試

我們采用一個相同硬件的線路板作為測試板，通過串口調(diào)試助手軟件讀取主端口接收發(fā)送的數(shù)據(jù)包，讓測試板從口接到待測線路板的從口上，待測線路板上的2路主口通過RS232串口線接到PC的串口上，我們在做測試程序的時候，讓測試版上從口接收的數(shù)據(jù)原路發(fā)送，這樣我們就可以通過對待測線路板上主口發(fā)送任意字節(jié)（不超過1000個字節(jié)）數(shù)的數(shù)據(jù)，查看是否有同樣字節(jié)的數(shù)接收，這樣就能確定發(fā)送接收不丟包點對點的測試，完成客戶要求。圖6是我們測試的一個樣圖。

圖4 發(fā)送數(shù)據(jù)程序框圖

圖6 系統(tǒng)調(diào)試圖

4 結(jié)束語

本集線器工作過程很簡單，很實用，性價比高。集線器種類很多，客戶需求也各不一樣，這就要求我們集線器要不斷調(diào)整功能，滿足客戶的需求。