【導讀】在工業(yè)控制中，各種設備的信號采集和監(jiān)控都只能依靠串口總線，因此難以實現(xiàn)擴展。本文解析了以“樹莓派”為核心的多串口多總線服務器的方案設計。
工業(yè)控制中，各設備的信號采集和監(jiān)控只靠串口總線難以實現(xiàn)擴展，要將現(xiàn)場控制網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡相連，就需要解決串口通信協(xié)議和因特網(wǎng)通信協(xié)議的轉換問題，即把原有設備轉換為具備網(wǎng)絡接口的外設，這樣可以將傳統(tǒng)串行鏈路上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔⒕W(wǎng)絡上，而無需更換原有設備。如此，可以提高原有設備利用率、增加多終端連接數(shù)、節(jié)約成本、簡化布線的復雜度及延長通信距離。
近年來，因信息化和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的需要，串口服務器大量涌現(xiàn)，它們不占用主機資源，且具有終端服務器的功能。不過，設備體積龐大、價格昂貴、串口不易裁剪或擴展、傳輸大量數(shù)據(jù)幀時丟包、參數(shù)配置繁雜等問題也隨之出現(xiàn)。
本設計采用的串口服務器的核心設備——樹莓派，是一款體積小、價格便宜但功能非常強大的平臺，可通過多種通信方式接入互聯(lián)網(wǎng)，支持多種完整網(wǎng)絡協(xié)議，結合USB—hub及USB/串口轉換器使用，可保證串口服務器使用方便，并實現(xiàn)實時、準確、長時間穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。
1 總體設計
根據(jù)當今工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸需求，應具備的技術指標和設置參數(shù)如下。
1.1 技術指標
①主控芯片：32位700 MHz的ARM1176JZF—S處理器;
②操作系統(tǒng)：Linux;
③支持協(xié)議：TCP/IP、UDP、HTTP、FTP;
④網(wǎng)絡接口：10/100 Mbps自適應以太網(wǎng)接口;
⑤串口類型：1～16個RS 232/RS485/RS422接口，1個TTL電平串口;
⑥參數(shù)配置方式：WEB瀏覽器配置;
⑦會話數(shù)：支持多連接，滿足5個以內(nèi)用戶同時管理一個模塊設備;
⑧工作模式：TCP客戶端、TCP服務器、UDP廣播模式;
⑨指示燈：電源指示燈、通信指示燈;
⑩供電電壓：5 V。
1.2 設置參數(shù)
該設備選擇WEB瀏覽器設置方式，內(nèi)置WEB服務器，用戶可進行IP地址、串口通信參數(shù)、工作模式等的管理和配置。以下主要介紹串口通信和工作模式參數(shù)的設置。
(1)串口通信參數(shù)
①波特率為2 400～115 200 bps;
②數(shù)據(jù)位為6/7/8/9;
③校驗位為None/Even/Odd;
④停止位為1/1.5/2;
⑤成幀長度為1～15000字節(jié);
⑥成幀間隔為30～500位。
其中，成幀長度指每一幀接收數(shù)據(jù)的長度，接收端緩沖區(qū)一旦接收到該長度的數(shù)據(jù)就轉發(fā)出去;成幀間隔就是所謂的串口超時，超時時間T(s)、成幀間隔N(位)、波特率B(b/s)的關系如下。一旦超時，不管已有數(shù)據(jù)長度是不是達到成幀長度，接收端緩沖區(qū)就將已有數(shù)據(jù)組幀轉發(fā)出去。
T= N/B (1)
(2)工作模式參數(shù)
①單個串口支持會話數(shù)為1～5個，每個會話模式間相互獨立;
②TCP服務器模式為綁定端口范圍為1025～65535;
③TCP客戶端模式為需配置目標服務器IP、端口及自動重連時間，其中自動重連時間指網(wǎng)絡連接中斷或者服務器異常時，重新發(fā)起主動連接的時間間隔，循環(huán)自動重連直到正常連接上為止;
④UDP廣播模式為需配置本地端口、目標服務器IP和目標端口。
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2 硬件設計
此串口服務器根據(jù)以上指標選用最新的樹莓派、USB—hub及北京世紀聯(lián)信公司生產(chǎn)的USB/四串口轉換器組合而成。
2.1 硬件結構組成
串口服務器硬件結構組成如圖1所示，樹莓派具有兩個USB接口、一個TTL串口及一個10/100 MHz自適應以太網(wǎng)接口。一個USB接口通過USB—hub和n(可據(jù)情況選擇，最多時n=4)個USB/串口轉換器擴展出4n個RS232/RS422/RS455串口，另一個可外接無線USB網(wǎng)卡，從而實現(xiàn)局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)中有線或無線數(shù)據(jù)傳輸。
圖1 硬件結構框圖
2.2 樹莓派簡介樹莓派(Raspberry Pi)是一款基于Linux系統(tǒng)的只有一張信用卡大小的單板計算機，配備一枚博通生產(chǎn)的700 MHzARM架構BCM2835處理器，512 MB內(nèi)存，使用SD卡當作存儲介質(zhì)，操作系統(tǒng)采用開源的Linux系統(tǒng)，提供并支持Python作為主要編程語言。
2.3 USB—hub簡介
USB—hub(USB集線器)是一個將多個USB設備連接到計算機上的USB接口或另一個USB集線器上某時候，它們都來自于主板內(nèi)部一個或者兩個主USB接口，而不是相互獨立的硬件。一個USB接口、一個USB集線器和若干個外圍設備可以構建一個USB網(wǎng)絡。本系統(tǒng)選用的USB—hub由一個USB接口擴展出4個USB接口。
2.4 USB/串口轉換器簡介
USB/串口轉換器選用北京世紀聯(lián)信LENSYS—USB2COM-4模塊。它是一種導軌安裝式串口擴展模塊，實現(xiàn)了用USB口擴展4串口的功能，可以通過USB快速擴展四個計算機串口，通過撥碼開關設定RS 232/422/485接口方式，還可以實現(xiàn)4個RS 232轉4個RS422/485的功能。通過該模塊能夠可靠、實時、便捷地完成工業(yè)現(xiàn)場RS232/485/422信號的傳輸和轉換，廣泛應用于石油天然氣、水利、電力調(diào)度、市政調(diào)度等行業(yè)。
3 軟件設計
此串口服務器軟件設計基本結構如圖2所示，客戶端只是WEB瀏覽器，軟件設計則主要體現(xiàn)為服務器端的網(wǎng)頁展現(xiàn)、業(yè)務邏輯和數(shù)據(jù)存儲。
WEB服務器負責串口服務器通信參數(shù)的手動配置和存儲、通信程序的手動啟停等;應用服務器負責實現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡與串行接口設備的互通，完成TCP/IP協(xié)議格式的數(shù)據(jù)與串行數(shù)據(jù)間的相互轉換;數(shù)據(jù)庫主要包含用戶管理數(shù)據(jù)表、串口參數(shù)配置數(shù)據(jù)表、工作模式配置數(shù)據(jù)表。
圖2 軟件設計基本結構圖
下面介紹串口服務器軟件設計中3個主要任務：WEB服務器的設計、WEB配置頁面的設計和串口聯(lián)網(wǎng)通信程序的設計。3.1 WEB服務器的設計
由于串口數(shù)量較多，所以在樹莓派中植入WEB服務器，由WEB服務器將用戶的請求轉換為對后臺數(shù)據(jù)的查詢或更新，并將友好的圖形界面在瀏覽器上展示給用戶，實現(xiàn)簡便統(tǒng)一的遠程通信參數(shù)配置、設備管理、用戶管理、監(jiān)控串口服務器運行狀態(tài)。
本串口聯(lián)網(wǎng)服務器選擇樹莓派自帶的Python作為開發(fā)語言，采用小巧而靈活的web.py開發(fā)框架提供HTTP服務，其輕量級滿足采集系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸模塊的要求，可以提高系統(tǒng)的使用效率，WEB服務器設計流程如圖3所示。
圖3 WEB服務器設計流程
設備上電或系統(tǒng)重啟后，WEB服務自動啟動，并初始化WEB服務器所需顯示和配置的信息，用戶通過瀏覽器訪問系統(tǒng)指定端口進行登錄認證即可訪問參數(shù)配置頁面。其中，設備信息和網(wǎng)絡信息通過系統(tǒng)文件管理器進行查看和配置，用戶信息、串口參數(shù)和工作模式信息通過數(shù)據(jù)庫進行讀寫，幫助信息則通過FTP服務器進行串口服務器說明手冊、公司服務信息等文檔下載。[page]
3.2 WEB配置頁面設計
WEB配置頁面即WEB服務器的展示層，如圖4所示，掃描出的串口數(shù)表明該串口服務器帶有16個串口，每個串口配置相互獨立。
圖4 WEB配置界面
由于配置程序設計采取工作模式配置與串口參數(shù)配置相關聯(lián)，如果選用前3個串口，則工作模式配置中只顯示此3個串口的工作模式配置界面，如圖5所示。
圖5 工作模式配置界面
以上配置方式可方便實現(xiàn)批量配置，配置完成后可生成配置信息查看界面，如圖6所示，該界面還可進行選中串口的通信參數(shù)、工作模式的編輯和刪除。
圖6 配置信息查看界面
3.3 串口聯(lián)網(wǎng)通信程序設計
WEB服務器完成配置工作后，即可啟動通信程序進行數(shù)據(jù)通信工作，具體實現(xiàn)流程如圖7所示。此程序在設備上電或系統(tǒng)重啟后自動啟動，讀取用戶配置的串口通信和工作模式參數(shù)后，進入通信程序無限循環(huán)，圖中進程數(shù)即現(xiàn)場應用所配置的串口總數(shù)。其中N為串口服務器串口數(shù)，M(M≤W)為N個串口中使用的串口數(shù);n為各自編號，I為進程編號;S為所配會話數(shù)，s為線程編號。
圖7 串口服務器通信程序工作流程
3種工作模式中，TCP服務器和TCP客戶端同屬TCP協(xié)議傳輸程序，其數(shù)據(jù)幀收發(fā)處理過程都采用同一種思想，下面介紹TCP、UDP協(xié)議傳輸程序和數(shù)據(jù)幀轉發(fā)程序的設計：3.3.1 TOP協(xié)議傳輸程序設計
TCP協(xié)議傳輸程序涉及到服務器端和客戶端的設計。
服務器端程序設計：
①建立一個socket，選擇類型INET及TCP連接方式;
②讀取配置端口進行綁定監(jiān)聽，等待客戶端主動連接;
③設置監(jiān)聽隊列大小;
④進入一個無限循環(huán)，使用accept()等待客戶連接，返回的新連接對應于客戶端IP，建立通信信道;
⑤進入無限子循環(huán)，通過sendall()及recv()進行讀寫操作。
客戶端程序設計：
①建立一個socket，選擇類型及連接方式同服務器端;
②讀取配置所配置遠程服務器IP及端口;
③進入無限循環(huán)，使用connect()連接遠程服務器，若連不上，達到所配置超時間隔后再次重連;
④連接成功后進入無限子循環(huán)，通過sendall()及recv()進行讀寫操作。
3.3.2 UDP協(xié)議傳輸程序設計
UDP傳輸稱為無連接傳輸，不存在TCP中的三次握手和錯誤重傳機制，其傳輸程序需同時讀取所配置的本地IP和端口、遠程IP和端口，建立數(shù)據(jù)報形式的socket后可同時作為發(fā)送端和接收端。作為發(fā)送端時，sendto()發(fā)送地址為遠程接收端IP和端口，作為接收端時公開本地IP和端口，recvfrom()等待遠程發(fā)送端的數(shù)據(jù)到來，可以接收任何地址發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包。
3.3.3 數(shù)據(jù)幀轉發(fā)程序設計
串口服務器功能模塊實現(xiàn)了串行鏈路數(shù)據(jù)與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉換的功能：一方面，接收來自串行鏈路的數(shù)據(jù)幀，并將其轉化為以太網(wǎng)鏈路數(shù)據(jù)幀后發(fā)出;另一方面，接收來自以太網(wǎng)鏈路的數(shù)據(jù)幀，并將其轉化為串行鏈路數(shù)據(jù)幀后發(fā)出。以上兩個通信過程并行執(zhí)行，在程序設計中采取多線程實現(xiàn)方式。
(1)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的接收
每種通信模式下，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的接收都在指定的回調(diào)函數(shù)中實現(xiàn)，TCP通信接收函數(shù)為recv()，而UDP通信中為recvfrom()。當數(shù)據(jù)幀長度積累到指定的接收緩沖區(qū)大小或達到串口超時還不足指定數(shù)據(jù)幀長度，立即調(diào)用實例化后的串口發(fā)送函數(shù)write()，即可將緩沖區(qū)中接收到的數(shù)據(jù)通過串口轉發(fā)。
(2)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的發(fā)送
接收串口數(shù)據(jù)時調(diào)用串口接收函數(shù)read()，當數(shù)據(jù)幀長度達到串口接收緩沖區(qū)大小或串口超時，立即調(diào)用網(wǎng)絡發(fā)送函數(shù)把該緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)幀通過網(wǎng)口轉發(fā)，其中TCP通信發(fā)送函數(shù)為sendall()，而UDP通信為sendto()。
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