嵌入式以太網(wǎng)串口服務器設計與實現(xiàn)

張峻豪，張曉龍，王 聰，李俊杰，楊磊青，高 鵬

（昆明理工大學機電工程學院，云南昆明 650500）

0 引言

串行通訊在傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)等領域應用十分廣泛，其擁有簡單、穩(wěn)定、性能可靠、維護方便、容易實現(xiàn)的優(yōu)點，具有較好的數(shù)據(jù)傳輸能力和較高的安全性，在工業(yè)控制現(xiàn)場中的感應器、檢測器等設備上都有應用。但串行通訊有許多不足，如傳輸速度很慢、傳輸距離較短，在較大的系統(tǒng)控制中這些局限性使串行通訊總線變得十分復雜，不利于后續(xù)維修護理。

隨著“中國制造2025”以及智能制造戰(zhàn)略的實施，傳統(tǒng)的工業(yè)控制技術正迎來新的發(fā)展機遇，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化已成大趨勢，以太網(wǎng)技術引入控制系統(tǒng)成為大方向。

學者對以太網(wǎng)串口服務器研究較多，如白晶晶［1］設計了基于Luminary LM3S8962 微控制器，并移植了嵌入式Uc/OS 實時系統(tǒng)，實現(xiàn)了以太網(wǎng)、484 通訊協(xié)議和CAN 協(xié)議的轉(zhuǎn)換；范煒［2］設計了一款基于AT91RM9200 處理器及LXT971ALE 的串口服務器；楊洋［3］使 用RH Linux9.0 為ARM 處理器提供交叉工具移植Linux，為嵌入式串口服務器設計了服務器端與客戶端模式，此方案對軟件要求較高，系統(tǒng)比較冗雜；肖利平［4］設計的服務器軟件移植了LwIP 協(xié)議棧的兩部分代碼：①編寫操作系統(tǒng)模擬層相關代碼；②LwIP 接口初始設置及網(wǎng)卡驅(qū)動，并且在應用程序設計方面采用中斷查詢方式，但此種方案的硬件成本較高；陳志星等［5］、Qi 等［6］則主要在以太網(wǎng)通訊協(xié)議上進行了研究，比較了uc/IP、LwIP、uIP 等適用于嵌入式設備的協(xié)議棧，并最終選擇LwIP 協(xié)議棧來實現(xiàn)服務器構(gòu)建。

國外對以太網(wǎng)串口服務器研究更為深入，研究方向主要是以太網(wǎng)服務器的網(wǎng)絡芯片選擇、通訊協(xié)議研究以及設計方案優(yōu)化。Douglas［7］詳細介紹了主控芯片S1C33E07、以太網(wǎng)芯片DM9000A、LwIP 1.3.2 的移植以及驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)，該系統(tǒng)能通過網(wǎng)絡進行準確、穩(wěn)定的通信；Adam［8］和Jing［9］重點研究了如何將Internet 與TCP/IP 進行合作，描述了LwIP 的設計與實現(xiàn)。對實施方案和子系統(tǒng)中的算法作了規(guī)定，此外還提供了有關LwIP 的報告和一些使用LwIP 的代碼示例；Fabrício 等［10］通過研究DM9000A 高速以太網(wǎng)接口芯片，提出基于DM9000A 的伺服控制系統(tǒng)以太網(wǎng)接口，介紹了DM9000A 的工作原理和基本功能，給出DSP 的硬件接口方案以及初始化和收發(fā)器的軟件配置；討論和分析了嵌入式系統(tǒng)以太網(wǎng)接口實現(xiàn)的不同解決方案，討論了兩種基于低成本微控制器的方法并進行比較，指出基于FPGA器件的方法可以在性能和開發(fā)成本之間達到最佳平衡。

結(jié)合以上國內(nèi)外研究可發(fā)現(xiàn)以下不足：①在硬件選擇上成本較高；②軟件設計大多在操作系統(tǒng)基礎上編寫程序，程序較冗雜、繁瑣，同時對軟件的要求比較高。因此，本文重點研究一種硬件成本低廉、軟件程序簡明的串口服務器。

1 系統(tǒng)方案設計

1.1 功能設計

嵌入式串口服務器擁有串行接口和網(wǎng)絡接口，分別接入串行通訊設備和以太網(wǎng)客戶端，實現(xiàn)以太網(wǎng)客戶端與串行通訊設備的雙向數(shù)據(jù)傳輸，如圖1 所示。

硬件需滿足系統(tǒng)的技術指標和實用性，軟件能實現(xiàn)系統(tǒng)基本功能?，F(xiàn)有串口服務器設計方案主要有：①ARM 芯片+網(wǎng)絡控制器芯片（軟件開發(fā)容易，硬件要求高）；②普通單片機+網(wǎng)絡控制器芯片（成本很低，硬件和軟件開發(fā)繁瑣）；③單芯片硬件協(xié)議棧（集成度高，穩(wěn)定性強）。結(jié)合這3 種方案優(yōu)缺點，本文選擇單芯片硬件協(xié)議棧，這是目前芯片高集成化發(fā)展方向。

1.2 硬件方案選擇

該串口服務器由主控模塊、串口模塊、網(wǎng)絡端口模塊組成，實現(xiàn)串口與以太網(wǎng)端口之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，通過綜合考慮選擇目前最流行的STM32 系列處理器進行開發(fā)［12］。STM32 擁有高性能、功耗低、成本低、開發(fā)方便等眾多優(yōu)勢［13］。由于本系統(tǒng)是基于以太網(wǎng)的串口服務器，出于系統(tǒng)開發(fā)的簡潔性和成本考慮，最終選擇具有互聯(lián)功能的STM32F107 系列的STM32F107VCT6 作為系統(tǒng)主控芯片［14-16］。

2 系統(tǒng)硬件設計

硬件設計由主控模塊電路設計、電源電路設計、RS232串口電路設計、RS485 串口電路設計和以太網(wǎng)模塊電路設計5 部分組成［17-19］。

2.1 主控模塊電路

主控模塊是整個系統(tǒng)最核心部分，包括提供整個系統(tǒng)時鐘信號的外部時鐘電路、使硬件能夠復位的復位電路、能夠燒寫和下載程序的JTAG 接口電路。主控模塊電路設計如圖2 所示。

Fig.2 Main control module circuit圖2 主控模塊電路

（1）系統(tǒng)時鐘電路設計。STM32 采用外部晶振體震蕩方式給系統(tǒng)提供時鐘信號，同時以太網(wǎng)芯片也需外部晶振來提供時鐘信號，所以在系統(tǒng)的外部時鐘設計中采用25MHz 的晶體振蕩器作為整個系統(tǒng)時鐘信號來源。

（2）復位電路設計。系統(tǒng)的復位包括外部復位和上電復位，電路由RC 電路和復位按鍵組成，連接在主控芯片的NRST 復位引腳上。當主控芯片的復位引腳持續(xù)一段時間的低電平，芯片就會發(fā)生復位。

（3）JTAG 接口電路設計。使用標準的20 引腳JTAG 接口，并根據(jù)設計經(jīng)驗在相應的引腳連接上拉電阻。

（4）除此之外，在主控芯片的VVD 引腳接上濾波電容，使其盡量靠近主控芯片的引腳。

2.2 電源模塊電路

系統(tǒng)使用5VDC 電源供電，但系統(tǒng)工作電壓為3.3V，因此需要將5V 的電通過降壓穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)化成3.3V 的電。選擇目前十分流行的降壓穩(wěn)壓器AMS1117 系列芯片，因為：①價格便宜；②管腳定義簡單，一共4 個腳，一個GND，一個固定腳，兩個引腳一進一出；③能實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓?；谏鲜鰞?yōu)點和系統(tǒng)要求，選用AMS1117-3.3 作為電源模塊的降壓穩(wěn)壓器。

2.3 RS-232 串口模塊

RS-232 標準是運用十分廣泛的數(shù)據(jù)傳輸標準，其所定義的標準與主控芯片STM32F107VCT6 所定義的標準有所不同，所以需要使用串口轉(zhuǎn)換芯片在主控芯片輸出的TTL電平與標準RS-232C 電平之間進行轉(zhuǎn)換。MAX232 供電電壓為5V，功耗較供電電壓為3.3V 的MAX3232 高，基于系統(tǒng)供電考慮，選用MAX3232 作為本系統(tǒng)的電平轉(zhuǎn)換芯片。為保證串口傳輸速度，RS-232 串口接口采用DB9 母頭，只需連接TXD、RXD 和GND 引腳就可避免其他信號干擾。其中MAX3232 芯片的10、9 引腳，分別連接主控芯片的PD5 和PD6 引腳，實現(xiàn)RS232 串口通訊的發(fā)送與接收。

2.4 RS-485 串口模塊

RS-485 是工業(yè)控制中常見的一種通訊接口，與RS-232 相比，RS-485 增加了通訊距離和通訊速度。在RS-485通訊網(wǎng)絡中一般采用主從通訊方式，即一個主機帶多個從機?，F(xiàn)在市場上較多的此類收發(fā)器有：Sipex 公司的SP49和Maxim 公司的MAX3485。考慮到RS-32 串口模塊也是MAX 系列，且MAX3485 與MAX3232 工作電壓同樣為3.3V，因此本次設計采用MAX3485 作為RS-485 通訊接口的收發(fā)器。其中MAX3485 芯片的1、4 引腳連接主控芯片的PC11 和PC10 引腳，實現(xiàn)RS485 串口通訊的接收與發(fā)送；MAX3485 芯片的2、3 引腳連接主控芯片的PC12 引腳，實現(xiàn)RS485 串口通訊的發(fā)送與接受的使能控制。

2.5 以太網(wǎng)模塊

以太網(wǎng)模塊就是以太網(wǎng)控制器的外部電路，主要由以太網(wǎng)MAC 控制器和物理層PHY 收發(fā)器組成［20］。STM 32F107VCT6 是一款具有互聯(lián)功能的芯片，它自帶10M/100M 的自適應以太網(wǎng)控制器，支持IEEE-802.3-2002 規(guī)定的以太網(wǎng)行業(yè)標準以及IEEE 1588-2002 的網(wǎng)路精確時鐘同步標準，其內(nèi)部集成了一個MAC 控制器，本設計只需要選擇擴展物理收發(fā)器PHY 即可。

2.5.1 以太網(wǎng)控制器

考慮到功能和成本等綜合因素，本設計采用的PHY 芯片為DP83848。DP83848 是一款10M/100M 的PHY 芯片，符合主控芯片STM32F107 所支持的IEEE802.3u 中10BASETy 與100BASE-TX 物理層協(xié)議。STM32 支持兩種工業(yè)級標準接口，與外部物理層PHY 模塊相連，分別是獨立于介質(zhì)的接口（MII）和簡化的獨立接口（RMII），本系統(tǒng)使用RMII。查閱DP83848 以太網(wǎng)控制芯片手冊，可知DP83848的工作模式（RMII/MII）選擇由39 號RX_DV 和7 號SNI_MODE 兩個管腳的電平共同決定，所以39 引腳需要上拉電阻。除此之外，系統(tǒng)使用MCO 提供DP83848 的時鐘信號，需要將STM32 的PA8 引腳與DP83848 的34 引腳（時鐘源X1）連接。以太網(wǎng)控制器DP83848 與主控芯片連接電路如圖3 所示。

Fig.3 Connection circuit between DP83848 and main control chip圖3 DP83848 與主控芯片的連接電路

2.5.2 以太網(wǎng)接口

由于PHY 和網(wǎng)絡接口RJ45 直接連接會產(chǎn)生很多無用的雜波，所以在PHY 與RJ45 之間要接入一個網(wǎng)絡隔離變壓器，即在以太網(wǎng)物理接口中需擁有隔離變壓器和RS45 接口；當PHY 芯片的供電電壓不一致時也不會對設備造成任何影響［21］。

本文采用隔離變壓芯片與RJ45 接口集成的以太網(wǎng)接口方式，使用漢仁電子公司的HR911105A，此芯片集成了隔離變壓器和RJ－45 接口，簡化了硬件電路設計。以太網(wǎng)控制器DP83848 與HR911105A 的連接電路如圖4 所示。其中，DP83848 的RD-、RD+、TD-、TD+需要上拉49.9 歐1%的電阻，并且還需要3 個100nF 的電容接地；DP83848 的20、21 引腳RESERVED 必須接2.2K 上拉電阻。

Fig.4 Connection circuit between DP83848 and HR911105A圖4 DP83848 與HR911105A 的連接電路

3 IP/TCP 協(xié)議棧

3.1 IP/TCP 協(xié)議棧選擇

嵌入式設備要連入互聯(lián)網(wǎng)必須遵守TCP/IP 網(wǎng)絡協(xié)議［22］，目前有兩種方式實現(xiàn)這種功能：①使用專門的網(wǎng)絡芯片編程，如WIZnet 公司的W5200 等，主控器通過編程得到芯片上的TCP/IP 數(shù)據(jù)，但這些芯片價格較昂貴，支持的TCP 連接數(shù)也十分有限，不適合大量開發(fā)；②在主控芯片上移植網(wǎng)絡TCP/IP 協(xié)議棧，使用免費的開源協(xié)議棧，這種方式非常普遍。出于成本和實用性考慮本文選擇LwIP 協(xié)議棧。

3.2 LwIP 協(xié)議棧移植

LwIP 協(xié)議棧移植就是把LwIP 協(xié)議棧源碼添加到kill軟件工程中，移植過程如表1 所示。

Table 1 LwIP protocol stack migration process表1 LwIP 協(xié)議棧移植過程

4 系統(tǒng)軟件設計

軟件設計流程如圖5 所示。

4.1 系統(tǒng)時鐘初始化

串口服務器采用頻率為25MHz 的外部高速晶振時鐘給系統(tǒng)提供時鐘信號。系統(tǒng)時鐘配置如表2 所示。

Table 2 Clock configuration表2 時鐘配置

Fig.5 Software design flow圖5 軟件設計流程

系統(tǒng)時鐘設置完畢后，根據(jù)相應的外部設備連接，對AHB 和APB 進行相應的設置修改即可完成系統(tǒng)時鐘配置。

4.2 串口程序初始化設置

通過一個初始化設置函數(shù)void USART_Configuration（void）實現(xiàn)串口程序初始化設置。

根據(jù)硬件設計原理可知PD5-USART2-TX、PD6-USART2-RX 即主控芯片STM32F107 的A5 引腳為數(shù)據(jù)輸出腳，A6 引腳為數(shù)據(jù)輸入腳，將串口引腳功能初始化，程序如下［23］：

設置A5 腳為復用推挽輸出，端口速度50MHz，設置A6腳為浮空輸入，端口速度50MHz，開啟使能GPIOD 時鐘：

上述為RS232 的串口初始化配置。與RS232 類似，RS485 的串口初始化只需將相應的接收和發(fā)送引腳作相應更改，除此之外還需配置RS485 的發(fā)送和接收使能。由硬件原理可知，PC10-USART3-TX、PD11-USART3-RX 即主控芯片STM32F107 的C10 引腳為數(shù)據(jù)輸出腳，C11 引腳為數(shù)據(jù)輸入腳，C12 引腳為MAX3485 芯片的發(fā)送和接收使能引腳，配置如下：

4.3 串口數(shù)據(jù)傳輸設計

串口的收發(fā)數(shù)據(jù)主要由設置串口的相關寄存器實現(xiàn)，發(fā)送數(shù)據(jù)由USART_DR 寄存器實現(xiàn)，在寄存器里寫下要發(fā)送的數(shù)據(jù)便可實現(xiàn)目的。接收數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)相似，也是通過相應的寄存器實現(xiàn)的［24］。串口發(fā)送數(shù)據(jù)主要有查詢和中斷兩種方式。由于查詢方式會不斷調(diào)用cup 資源，需要消耗大量的CUP 時間，而且由于主程序周期的影響，所以查詢效率很低。而中斷方式是當中斷條件滿足時立即中止當前正在運行的程序，進入中斷服務程序，執(zhí)行完畢后返回斷點繼續(xù)執(zhí)行，其耗費的CPU 時間相對較少，所以在串口服務器中使用中斷方式［25-26］。

4.4 以太網(wǎng)初始化

STM32F107VCT6 芯片自帶一個MAC 控制器，初始化方法如表3 所示［27］。

4.5 UDP 傳輸協(xié)議下實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦蛟O計

4.5.1 UDP 服務器端口初始化

調(diào)用LwIP 協(xié)議棧中的new_udp（）函數(shù)，新建立一個UDP 的PCB 控制塊；然后使用LwIP 協(xié)議棧中的udp_bind（）函數(shù)為已經(jīng)建立好的PCB 控制塊綁定本地的IP 地址和RS232 對應的端口號，綁定成功以后PCB 控制塊便可成功激活；最后調(diào)用LwIP 協(xié)議棧中的udp_recv（）函數(shù)來設置UDP，接收客戶端發(fā)送的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)回調(diào)函數(shù)。udp_recv（）函數(shù)在LwIP 中的源代碼定義如下：

其中，pcb 為udp 協(xié)議控制塊，void（* recv）（void *arg，struct udp_pcb *upcb，struct pbuf *p，struct ip_addr *addr，u16_t port）為需要編寫的回調(diào)函數(shù)，rev_arg 為回調(diào)函數(shù)參數(shù)。

Table 3 Ethernet initialization表3 以太網(wǎng)初始化

4.5.2 UDP 協(xié)議中以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口回調(diào)函數(shù)設計

首先聲明一個udp_pcb 結(jié)構(gòu)體變量，將遠端的IP 地址和端口號存入udp_pcb 控制塊中，然后使用udp_pcb 中的pbuf 指針直接將網(wǎng)口接收到的數(shù)據(jù)提取出來，通過USART2→DR 寄存器操作，將接收緩存送至該數(shù)據(jù)寄存器，同時發(fā)送到串口，從而將以太網(wǎng)接收的數(shù)據(jù)發(fā)向RS232串口。當數(shù)據(jù)發(fā)送完畢時，利用LwIP 協(xié)議棧中的pbuf_free（）函數(shù)將udp_pcb 控制塊進行釋放

4.5.3 UDP 協(xié)議中串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)傳輸

在串口將接收到的數(shù)據(jù)存入RS232_rec_buf（）后，申明一個udp_buf 結(jié)構(gòu)體，如果接收數(shù)據(jù)的時間等待超時，則將等待超時表示置0，將RS232_rec_buf（）中字節(jié)的長度提取出來，存入要發(fā)送數(shù)據(jù)的長度值中，并將接收計數(shù)器清零。若接收的數(shù)據(jù)超過了緩沖區(qū)長度，則將緩沖區(qū)的大小存入要發(fā)送數(shù)據(jù)的長度值中；然后初始化RS232 中的臨時udp數(shù)據(jù)塊，即申請pbuf 數(shù)據(jù)塊，并將RS232_rec_buf（）中的數(shù)據(jù)存入申請好的pbuf 數(shù)據(jù)塊中；最后調(diào)用LwIP 協(xié)議棧中的udp_send（）函數(shù)將pbuf 中的數(shù)據(jù)發(fā)送給指定的客戶端。完成整個過程后，還要利用LwIP 協(xié)議棧中的pbuf_free（）函數(shù)將申請的臨時udp 數(shù)據(jù)塊進行釋放。

5 系統(tǒng)測試方法及結(jié)果

5.1 UDP/TCP 的IP 地址與端口分配

對調(diào)試環(huán)境的IP 地址與端口進行配置，具體IP 地址與端口分配如表4 所示。

Table 4 IP address and port allocation of UDP/TCP表4 UDP/TCP 的IP 地址與端口分配

5.2 測試步驟

嵌入式以太網(wǎng)串口服務器如圖6 所示。

Fig.6 Embedded Ethernet serial port server圖6 嵌入式以太網(wǎng)串口服務器實物

5.2.1 硬件連接

①用交叉網(wǎng)線將服務器和電腦相連（或用直通網(wǎng)線將服務器和路由器相連并將電腦連接到該設備上）；②用USB 轉(zhuǎn)RS485 線將服務器的RS485 和電腦的另一USB 口連接；③連接無誤后給服務器上電，下載軟件程序，復位服務器，此時可看到網(wǎng)口綠燈常亮，黃燈閃爍，表明軟硬件無異常。

5.2.2 軟件配置

電腦IP 地址配置為：192.168.1.21（與服務器在一個網(wǎng)段內(nèi)即可），子網(wǎng)掩碼配置為：255，255，255，0，運行軟件USR-TCP232-Test（串口與網(wǎng)口調(diào)試程序），在TCP 模式下，需要在網(wǎng)口助手中將協(xié)議類型更改為TCP Client 模式。

5.3 UDP 協(xié)議測試結(jié)果

UDP 與RS232/RS485 雙向數(shù)據(jù)傳輸（RS232 對應UDP端口為1033，RS485 對應的UDP 端口為1031）實驗結(jié)果如圖7 所示。

5.4 TCP 協(xié)議測試結(jié)果

TCP 與RS232/RS485 雙向數(shù)據(jù)傳輸（RS232 對應TCP 端口為1033，RS485 對應TCP 端口為1031）實驗結(jié)果如圖8 所示。

在上述4 種調(diào)試環(huán)境中，通過串口助手向網(wǎng)口助手發(fā)送串口數(shù)據(jù)及通過網(wǎng)口助手向串口助手發(fā)送數(shù)據(jù)均能實現(xiàn)預期結(jié)果，說明系統(tǒng)設計達到了預期要求。

Fig.7 Bidirectional data transmission between UDP and RS232/RS485圖7 UDP 與RS232/RS485 雙向數(shù)據(jù)傳輸

Fig.8 Bidirectional data transmission between TCP and RS232/RS485圖8 TCP 與RS232/RS485 雙向數(shù)據(jù)傳輸

6 結(jié)語

本文采用STM32 系列芯片、RS232/RS485 電平轉(zhuǎn)換芯片和以太網(wǎng)控制芯片，并采用輕量化IP/TCP 協(xié)議LwIP 協(xié)議棧為基礎，設計了嵌入式以太網(wǎng)串口服務器。首先對串口服務器進行分析，提出設計思路與設計方案，完成串口服務器主控模塊、串口模塊、以太網(wǎng)模塊等硬件設計；其次對LwIP 協(xié)議棧進行分析，完成LwIP 協(xié)議棧的移植以及RS232/RS485 與以太網(wǎng)的雙向通訊程序設計，實現(xiàn)將串口數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)換后發(fā)向以太網(wǎng)，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)換后發(fā)向串口；最后進行串口服務器測試，驗證了設計的可行性。