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工業(yè)控制中，各設(shè)備的信號(hào)采集和監(jiān)控只靠串口總線難以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展，要將現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)換問(wèn)題，即把原有設(shè)備轉(zhuǎn)換為具備網(wǎng)絡(luò)接口的外設(shè)，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(luò)上，而無(wú)需更換原有設(shè)備。如此，可以提高原有設(shè)備利用率、增加多終端連接數(shù)、節(jié)約成本、簡(jiǎn)化布線的復(fù)雜度及延長(zhǎng)通信距離。
近年來(lái)，因信息化和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的需要，串口服務(wù)器大量涌現(xiàn)，它們不占用主機(jī)資源，且具有終端服務(wù)器的功能。不過(guò)，設(shè)備體積龐大、價(jià)格昂貴、串口不易裁剪或擴(kuò)展、傳輸大量數(shù)據(jù)幀時(shí)丟包、參數(shù)配置繁雜等問(wèn)題也隨之出現(xiàn)。
本設(shè)計(jì)采用的串口服務(wù)器的核心設(shè)備--樹(shù)莓派，是一款體積小、價(jià)格便宜但功能非常強(qiáng)大的平臺(tái)，可通過(guò)多種通信方式接入互聯(lián)網(wǎng)，支持多種完整網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，結(jié)合USB-hub及USB/串口轉(zhuǎn)換器使用，可保證串口服務(wù)器使用方便，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。
1 總體設(shè)計(jì)
根據(jù)當(dāng)今工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸需求，應(yīng)具備的技術(shù)指標(biāo)和設(shè)置參數(shù)如下。
1.1 技術(shù)指標(biāo)
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(luò)接口：10/100 Mbps自適應(yīng)以太網(wǎng)接口;
⑤串口類(lèi)型：1～16個(gè)RS 232/RS485/RS422接口，1個(gè)TTL電平串口;
⑥參數(shù)配置方式：WEB瀏覽器配置;
⑦會(huì)話數(shù)：支持多連接，滿足5個(gè)以內(nèi)用戶同時(shí)管理一個(gè)模塊設(shè)備;
⑧工作模式：TCP客戶端、TCP服務(wù)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(shè)置參數(shù)
該設(shè)備選擇WEB瀏覽器設(shè)置方式，內(nèi)置WEB服務(wù)器，用戶可進(jìn)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(shè)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(yàn)位為None/Even/Odd;
④停止位為1/1.5/2;
⑤成幀長(zhǎng)度為1～15000字節(jié);
⑥成幀間隔為30～500位。
其中，成幀長(zhǎng)度指每一幀接收數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，接收端緩沖區(qū)一旦接收到該長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)就轉(zhuǎn)發(fā)出去;成幀間隔就是所謂的串口超時(shí)，超時(shí)時(shí)間T(s)、成幀間隔N(位)、波特率B(b/s)的關(guān)系如下。一旦超時(shí)，不管已有數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是不是達(dá)到成幀長(zhǎng)度，接收端緩沖區(qū)就將已有數(shù)據(jù)組幀轉(zhuǎn)發(fā)出去。
T= N/B (1)
(2)工作模式參數(shù)
①單個(gè)串口支持會(huì)話數(shù)為1～5個(gè)，每個(gè)會(huì)話模式間相互獨(dú)立;
②TCP服務(wù)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(biāo)服務(wù)器IP、端口及自動(dòng)重連時(shí)間，其中自動(dòng)重連時(shí)間指網(wǎng)絡(luò)連接中斷或者服務(wù)器異常時(shí)，重新發(fā)起主動(dòng)連接的時(shí)間間隔，循環(huán)自動(dòng)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(biāo)服務(wù)器IP和目標(biāo)端口。
2 硬件設(shè)計(jì)
此串口服務(wù)器根據(jù)以上指標(biāo)選用最新的樹(shù)莓派、USB-hub及北京世紀(jì)聯(lián)信公司生產(chǎn)的USB/四串口轉(zhuǎn)換器組合而成。
2.1 硬件結(jié)構(gòu)組成
串口服務(wù)器硬件結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，樹(shù)莓派具有兩個(gè)USB接口、一個(gè)TTL串口及一個(gè)10/100 MHz自適應(yīng)以太網(wǎng)接口。一個(gè)USB接口通過(guò)USB-hub和n(可據(jù)情況選擇，最多時(shí)n=4)個(gè)USB/串口轉(zhuǎn)換器擴(kuò)展出4n個(gè)RS232/RS422/RS455串口，另一個(gè)可外接無(wú)線USB網(wǎng)卡，從而實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)中有線或無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。
圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖
2.2 樹(shù)莓派簡(jiǎn)介
樹(shù)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(jì)算機(jī)，配備一枚博通生產(chǎn)的700 MHzARM架構(gòu)BCM2835處理器，512 MB內(nèi)存，使用SD卡當(dāng)作存儲(chǔ)介質(zhì)，操作系統(tǒng)采用開(kāi)源的Linux系統(tǒng)，提供并支持Python作為主要編程語(yǔ)言。
2.3 USB-hub簡(jiǎn)介
USB-hub(USB集線器)是一個(gè)將多個(gè)USB設(shè)備連接到計(jì)算機(jī)上的USB接口或另一個(gè)USB集線器上某時(shí)候，它們都來(lái)自于主板內(nèi)部一個(gè)或者兩個(gè)主USB接口，而不是相互獨(dú)立的硬件。一個(gè)USB接口、一個(gè)USB集線器和若干個(gè)外圍設(shè)備可以構(gòu)建一個(gè)USB網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)選用的USB-hub由一個(gè)USB接口擴(kuò)展出4個(gè)USB接口。
2.4 USB/串口轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)介
USB/串口轉(zhuǎn)換器選用北京世紀(jì)聯(lián)信LENSYS-USB2COM-4模塊。它是一種導(dǎo)軌安裝式串口擴(kuò)展模塊，實(shí)現(xiàn)了用USB口擴(kuò)展4串口的功能，可以通過(guò)USB快速擴(kuò)展四個(gè)計(jì)算機(jī)串口，通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)定RS 232/422/485接口方式，還可以實(shí)現(xiàn)4個(gè)RS 232轉(zhuǎn)4個(gè)RS422/485的功能。通過(guò)該模塊能夠可靠、實(shí)時(shí)、便捷地完成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)RS232/485/422信號(hào)的傳輸和轉(zhuǎn)換，廣泛應(yīng)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(shè)計(jì)
此串口服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，客戶端只是WEB瀏覽器，軟件設(shè)計(jì)則主要體現(xiàn)為服務(wù)器端的網(wǎng)頁(yè)展現(xiàn)、業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
WEB服務(wù)器負(fù)責(zé)串口服務(wù)器通信參數(shù)的手動(dòng)配置和存儲(chǔ)、通信程序的手動(dòng)啟停等;應(yīng)用服務(wù)器負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)與串行接口設(shè)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(zhuǎn)換;數(shù)據(jù)庫(kù)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(shè)計(jì)基本結(jié)構(gòu)圖
下面介紹串口服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)中3個(gè)主要任務(wù)：WEB服務(wù)器的設(shè)計(jì)、WEB配置頁(yè)面的設(shè)計(jì)和串口聯(lián)網(wǎng)通信程序的設(shè)計(jì)。
3.1 WEB服務(wù)器的設(shè)計(jì)
由于串口數(shù)量較多，所以在樹(shù)莓派中植入WEB服務(wù)器，由WEB服務(wù)器將用戶的請(qǐng)求轉(zhuǎn)換為對(duì)后臺(tái)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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便統(tǒng)一的遠(yuǎn)程通信參數(shù)配置、設(shè)備管理、用戶管理、監(jiān)控串口服務(wù)器運(yùn)行狀態(tài)。
本串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器選擇樹(shù)莓派自帶的Python作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，采用小巧而靈活的web.py開(kāi)發(fā)框架提供HTTP服務(wù)，其輕量級(jí)滿足采集系統(tǒng)對(duì)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(wù)器設(shè)計(jì)流程如圖3所示。
圖3 WEB服務(wù)器設(shè)計(jì)流程
設(shè)備上電或系統(tǒng)重啟后，WEB服務(wù)自動(dòng)啟動(dòng)，并初始化WEB服務(wù)器所需顯示和配置的信息，用戶通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)系統(tǒng)指定端口進(jìn)行登錄認(rèn)證即可訪問(wèn)參數(shù)配置頁(yè)面。其中，設(shè)備信息和網(wǎng)絡(luò)信息通過(guò)系統(tǒng)文件管理器進(jìn)行查看和配置，用戶信息、串口參數(shù)和工作模式信息通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行讀寫(xiě)，幫助信息則通過(guò)FTP服務(wù)器進(jìn)行串口服務(wù)器說(shuō)明手冊(cè)、公司服務(wù)信息等文檔下載。
3.2 WEB配置頁(yè)面設(shè)計(jì)
WEB配置頁(yè)面即WEB服務(wù)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(wù)器帶有16個(gè)串口，每個(gè)串口配置相互獨(dú)立。
圖4 WEB配置界面
由于配置程序設(shè)計(jì)采取工作模式配置與串口參數(shù)配置相關(guān)聯(lián)，如果選用前3個(gè)串口，則工作模式配置中只顯示此3個(gè)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(shí)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(jìn)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(shè)計(jì)
WEB服務(wù)器完成配置工作后，即可啟動(dòng)通信程序進(jìn)行數(shù)據(jù)通信工作，具體實(shí)現(xiàn)流程如圖7所示。此程序在設(shè)備上電或系統(tǒng)重啟后自動(dòng)啟動(dòng)，讀取用戶配置的串口通信和工作模式參數(shù)后，進(jìn)入通信程序無(wú)限循環(huán)，圖中進(jìn)程數(shù)即現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用所配置的串口總數(shù)。其中N為串口服務(wù)器串口數(shù)，M(M≤W)為N個(gè)串口中使用的串口數(shù);n為各自編號(hào)，I為進(jìn)程編號(hào);S為所配會(huì)話數(shù)，s為線程編號(hào)。
圖7 串口服務(wù)器通信程序工作流程
3種工作模式中，TCP服務(wù)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(guò)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(zhuǎn)發(fā)程序的設(shè)計(jì)：
3.3.1 TOP協(xié)議傳輸程序設(shè)計(jì)
TCP協(xié)議傳輸程序涉及到服務(wù)器端和客戶端的設(shè)計(jì)。
服務(wù)器端程序設(shè)計(jì)：
①建立一個(gè)socket，選擇類(lèi)型INET及TCP連接方式;
②讀取配置端口進(jìn)行綁定監(jiān)聽(tīng)，等待客戶端主動(dòng)連接;
③設(shè)置監(jiān)聽(tīng)隊(duì)列大小;
④進(jìn)入一個(gè)無(wú)限循環(huán)，使用accept()等待客戶連接，返回的新連接對(duì)應(yīng)于客戶端IP，建立通信信道;
⑤進(jìn)入無(wú)限子循環(huán)，通過(guò)sendall()及recv()進(jìn)行讀寫(xiě)操作。
客戶端程序設(shè)計(jì)：
①建立一個(gè)socket，選擇類(lèi)型及連接方式同服務(wù)器端;
②讀取配置所配置遠(yuǎn)程服務(wù)器IP及端口;
③進(jìn)入無(wú)限循環(huán)，使用connect()連接遠(yuǎn)程服務(wù)器，若連不上，達(dá)到所配置超時(shí)間隔后再次重連;
④連接成功后進(jìn)入無(wú)限子循環(huán)，通過(guò)sendall()及recv()進(jìn)行讀寫(xiě)操作。
3.3.2 UDP協(xié)議傳輸程序設(shè)計(jì)
UDP傳輸稱為無(wú)連接傳輸，不存在TCP中的三次握手和錯(cuò)誤重傳機(jī)制，其傳輸程序需同時(shí)讀取所配置的本地IP和端口、遠(yuǎn)程IP和端口，建立數(shù)據(jù)報(bào)形式的socket后可同時(shí)作為發(fā)送端和接收端。作為發(fā)送端時(shí)，sendto()發(fā)送地址為遠(yuǎn)程接收端IP和端口，作為接收端時(shí)公開(kāi)本地IP和端口，recvfrom()等待遠(yuǎn)程發(fā)送端的數(shù)據(jù)到來(lái)，可以接收任何地址發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)包。
3.3.3 數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)程序設(shè)計(jì)
串口服務(wù)器功能模塊實(shí)現(xiàn)了串行鏈路數(shù)據(jù)與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的功能：一方面，接收來(lái)自串行鏈路的數(shù)據(jù)幀，并將其轉(zhuǎn)化為以太網(wǎng)鏈路數(shù)據(jù)幀后發(fā)出;另一方面，接收來(lái)自以太網(wǎng)鏈路的數(shù)據(jù)幀，并將其轉(zhuǎn)化為串行鏈路數(shù)據(jù)幀后發(fā)出。以上兩個(gè)通信過(guò)程并行執(zhí)行，在程序設(shè)計(jì)中采取多線程實(shí)現(xiàn)方式。
(1)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收
每種通信模式下，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收都在指定的回調(diào)函數(shù)中實(shí)現(xiàn)，TCP通信接收函數(shù)為recv()，而UDP通信中為recvfrom()。當(dāng)數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度積累到指定的接收緩沖區(qū)大小或達(dá)到串口超時(shí)還不足指定數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度，立即調(diào)用實(shí)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(guò)串口轉(zhuǎn)發(fā)。
(2)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)送
接收串口數(shù)據(jù)時(shí)調(diào)用串口接收函數(shù)read()，當(dāng)數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度達(dá)到串口接收緩沖區(qū)大小或串口超時(shí)，立即調(diào)用網(wǎng)絡(luò)發(fā)送函數(shù)把該緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)幀通過(guò)網(wǎng)口轉(zhuǎn)發(fā)，其中TCP通信發(fā)送函數(shù)為sendall()，而UDP通信為sendto()。
結(jié)語(yǔ)
經(jīng)全面測(cè)試合格后，目前本串口服務(wù)器已經(jīng)成功應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，由此可見(jiàn)，本串口服務(wù)器支持高頻轉(zhuǎn)發(fā)、大數(shù)據(jù)幀實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)，可長(zhǎng)期、全天候穩(wěn)定運(yùn)行。
