摘　要　文中提出了一種低成本、高性能的嵌入式串口服務(wù)器的硬軟件設(shè)計(jì)方案。該服務(wù)器以ARM7芯片LPC2210為控制器， 采用RTL8019以太網(wǎng)控制器處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)， TL16C554異步通信組件處理串口數(shù)據(jù)。對輕便TCP/ IP協(xié)議棧LW IP在μC/OS - Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)中進(jìn)行了移植， 并對16路串行通道設(shè)計(jì)了實(shí)時多任務(wù)方案， 使串口服務(wù)器能夠以TCP/UDP模式在網(wǎng)口和串口端進(jìn)行雙向232 /485通信。實(shí)驗(yàn)證明本服務(wù)器能使傳輸數(shù)據(jù)實(shí)時， 準(zhǔn)確。

　　隨著數(shù)字信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用， 以操作系統(tǒng)和Internet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)是后PC時代發(fā)展的趨勢。工業(yè)上廣泛應(yīng)用的232 /485通信接口與Internet相連接， 使得各種傳感器， 控制器及其他設(shè)備的數(shù)據(jù)可以大量的在Internet上傳輸。

　　串口服務(wù)器由此而生， 通過擴(kuò)展多串口， 可以在PC端遠(yuǎn)程監(jiān)控、管理各種外設(shè)， 或?qū)ν庠O(shè)進(jìn)行系統(tǒng)升級。通常串口服務(wù)器采用ARM9 微處理器和帶TCP / IP協(xié)議棧的付費(fèi)操作系統(tǒng)， 而文中提出的串口服務(wù)器是通過移植LW IP協(xié)議棧到代碼開源的μC /OS - Ⅱ中實(shí)現(xiàn)， 這樣不但降低成本， 而且代碼的編寫更加透明、靈活。

　　1　硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　本串口服務(wù)器采用Philip s的ARM7 系列芯片LPC2210，網(wǎng)絡(luò)控制芯片采用RTL8019, 串口采用TL16C554芯片擴(kuò)展。為得到更廣泛的應(yīng)用， 串口端還擴(kuò)展485 接口， 通過跳線選擇232 /485 方式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖， 如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　2　軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　串口服務(wù)器軟件系統(tǒng)包括兩部分： TCP / IP協(xié)議棧的移植和實(shí)時多任務(wù)應(yīng)用程序。μC /OS - Ⅱ在LPC系列ARM中的移植采用周立功公司的方案。

　　2.1　TCP / IP協(xié)議棧的移植

　　LW IP是瑞士人Adma Dumkels等開發(fā)的源代碼開放的精簡TCP / IP 協(xié)議棧。目的是在于保證TCP協(xié)議完整的情況下減少系統(tǒng)資源的需求， 適合于資源較少的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。移植LW IP協(xié)議棧主要有兩部分代碼： （1）編寫操作系統(tǒng)模擬層相關(guān)代碼； （2） LW IP接口初始設(shè)置及網(wǎng)卡驅(qū)動。

　　2.1.1　操作系統(tǒng)模擬層相關(guān)代碼

　　操作系統(tǒng)模擬層存在的目的主要是在μC /OS - Ⅱ和LW IP之間提供一座橋梁， 使LW IP能與μC /OS - Ⅱ能以相同的規(guī)范存在于一個系統(tǒng)中并能相互通信。LW IP有信號量和郵箱兩種進(jìn)程通訊方式， 而μC /OS - Ⅱ也提供這兩種進(jìn)程通訊方式。

　　信號量用來同步任務(wù)， 操作函數(shù)有sys_new_sem （建立并返回一個新信號量） , sys_ sem _ signal（指定要發(fā)送的信號量） , sys_sem_free （指定要釋放的信號量） , sys_arch_sem_wait （等待由參數(shù)sem指定的信號量并阻塞線程） , 在這些函數(shù)體中進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的初始化并加入μC /OS - Ⅱ中的相關(guān)函數(shù)便可完成。

　　郵箱用來投遞消息， LW IP允許將郵箱實(shí)現(xiàn)為一個隊(duì)列，多條消息投遞到這個郵箱。

　　μC /OS - Ⅱ提供了豐富的消息隊(duì)列函數(shù)， 且μC /OS - Ⅱ和LW IP投遞到郵箱中的消息均用指針實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)建立了多個郵箱， 郵箱通過單向鏈表接在一起。接收消息的數(shù)量由消息數(shù)組決定， 結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　郵箱數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

　　郵箱建好后用指針P_Mbox指向節(jié)點(diǎn)1, 申請新郵箱將節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2斷開， P_Mbox指向節(jié)點(diǎn)1的p stNext, 以此類推。回收時P_Mbox的移動方向與申請時相反， 這樣不會浪費(fèi)內(nèi)存且比較穩(wěn)定。由以上結(jié)構(gòu)和μC /OS - Ⅱ提供的函數(shù)寫出郵箱相關(guān)函數(shù)。

　　除此之外， 還需要編寫任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)sys_thread_new和sys_arch_timeouts函數(shù)， 由于每個任務(wù)都有timeouts鏈表， sys_arch _timeouts函數(shù)返回的sys_timeouts結(jié)構(gòu)保存了timeouts鏈表的首地址。

　　2.1.2　LW IP初始化設(shè)置及底層驅(qū)動

　　LW IP的初始化設(shè)置包含在LW IP通信進(jìn)程的入口函數(shù)中， 其入口函數(shù)LwipEntry的基本結(jié)構(gòu)如下：

　　Void LwipEntry （ void 3 pvArg）

　　{

　　/ /初始化LW IP, 涉及LW IP使用的內(nèi)存區(qū)，PCB （ TCP /UDP）以及OS模擬層各個方面

　　__ilvInitLwip （ ） ;

　　/ /設(shè)置LW IP, 包括添加配置網(wǎng)絡(luò)接口， 建立接受任務(wù)等工作

　　__ilvSetLwip （ ） ;

　　/ /在這里建立LW IP 的應(yīng)用， 服務(wù)器支持TCP /UDP方式， 兩種方式都建立

　　}

　　底層驅(qū)動在服務(wù)器每次收發(fā)數(shù)據(jù)中都要調(diào)用，這部分代碼需要有良好的健壯性和穩(wěn)定性。整個實(shí)現(xiàn)順序， 如圖3所示。

圖3　底層程序框架圖

　　發(fā)送主線首先是以太網(wǎng)初始化函數(shù)（ 1）開始，調(diào)用鏈路層發(fā)送函數(shù)（2）并增加各層協(xié)議頭， 再調(diào)用RTL8019發(fā)送函數(shù)（9）發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　接收主線除初始化以太網(wǎng)外， 需調(diào)用鏈路層初始化函數(shù)（3） , （ 3）中調(diào)用（ 4）初始化RTL8019。

　　收到的數(shù)據(jù)先經(jīng)過函數(shù)（8） , 然后通過信號量傳送到函數(shù)（6） , 由（ 6）調(diào)用（ 7）得到數(shù)據(jù)個數(shù)， 由（5）根據(jù)以太網(wǎng)幀頭攜帶的上層協(xié)議類型判斷是交給IP協(xié)議還是ARP協(xié)議處理。

　　移植完畢， 進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。使用TCP傳輸協(xié)議， 由網(wǎng)口虛擬串口軟件VSPM通過串口調(diào)試工具收發(fā)數(shù)據(jù)， 圖4是以10 ms的發(fā)送速度在自發(fā)自收程序中收發(fā)數(shù)據(jù)的截圖。

圖4　TCP協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸界面

　　由于COM1和COM2被PC機(jī)占用， 故由網(wǎng)口虛擬出來的串口是COM3, 由圖4可看出在面向連接的TCP協(xié)議下， 高速收發(fā)數(shù)據(jù)不會丟包。

　　2.2　實(shí)時多任務(wù)方案的設(shè)計(jì)

　　16個串口分別與網(wǎng)絡(luò)端口組成16 個雙向通道。為使代碼靈活、透明， 程序不使用LW IP提供的SOCKET AP I。應(yīng)用程序把每個雙向通道分為發(fā)送， 接收， 串口3個任務(wù)， 加上LW IP本身需占用一個任務(wù)， 共需建立49個任務(wù)。μC /OS - Ⅱ多能建立64 個任務(wù)， 其中8 個操作系統(tǒng)本身占用，剩56個能滿足要求。由VSPM軟件把網(wǎng)口模擬成16個串口， 串口服務(wù)器偵聽的16 個端口分別是1 000～1 015, 如圖5所示。

圖5　網(wǎng)口虛擬擴(kuò)展16個串口界面

　　網(wǎng)絡(luò)端和串口端的數(shù)據(jù)接收會觸發(fā)相應(yīng)的中斷。每個雙向通道的3個任務(wù)各司其職， 網(wǎng)口端接收數(shù)據(jù)中斷后在傳輸層協(xié)議判斷信源的端口號，交給相應(yīng)的接收任務(wù)， 處理完后交給串口任務(wù)把數(shù)據(jù)從相應(yīng)串口發(fā)送； 串口接收數(shù)據(jù)后在中斷程序中判斷信源的通道號， 把數(shù)據(jù)交給串口任務(wù)，處理完后由發(fā)送任務(wù)通過網(wǎng)口把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

　　服務(wù)器支持TCP /UDP兩種傳輸協(xié)議， 下面給出一個通道的TCP傳輸流程圖， UDP部分代碼只需在相應(yīng)任務(wù)中調(diào)用LW IP給的UDP函數(shù)。TCP模式下串口服務(wù)器工作在Server模式， PC機(jī)工作在Client模式， 流程圖， 如圖6所示。

圖6串口服務(wù)器單通道程序流程圖

　　3.結(jié)論　

參考文獻(xiàn):

[1]. LPC2210 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/LPC2210_454566.html.
[2]. RTL8019 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/RTL8019_1063656.html.
[3]. TL16C554 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/TL16C554_650869.html.
[4]. PCB  datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/PCB+_1201640.html.