基于ARM7的串口服务器的实现

摘　要：文中提出了一种低成本、高性能的嵌入式串口服务器的硬软件设计方案。该服务器以ARM7芯片LPC2210为核心控制器， 采用RTL8019以太网控制器处理网络数据， TL16C554异步通信组件处理串口数据。对轻便TCP/ IP协议栈LW IP在μC/OS - Ⅱ实时操作系统中进行了移植， 并对16路串行通道设计了实时多任务方案， 使串口服务器能够以TCP/UDP模式在网口和串口端进行双向232 /485通信。实验证明本服务器能使传输数据实时， 准确。

　　通过扩展多串口， 可以在PC端远程监控、管理各种外设， 或对外设进行系统升级。通常串口服务器采用ARM9 微处理器和带TCP / IP协议栈的付费操作系统， 而文中提出的串口服务器是通过移植LW IP协议栈到代码开源的μC /OS - Ⅱ中实现， 这样不但降低成本， 而且代码的编写更加透明、灵活。

　　1　硬件系统的设计

　　本串口服务器采用Philip s的ARM7 系列芯片LPC2210，网络控制芯片采用RTL8019, 串口采用TL16C554芯片扩展。为得到更广泛的应用， 串口端还扩展485 接口， 通过跳线选择232 /485 方式。系统结构框图， 如图1所示。

　　图1　系统结构框图

　　2　软件系统的实现

　　串口服务器软件系统包括两部分： TCP / IP协议栈的移植和实时多任务应用程序。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协议栈的移植

　　LW IP是瑞士人Adma Dumkels等开发的源代码开放的精简TCP / IP 协议栈。目的是在于保证TCP协议完整的情况下减少系统资源的需求， 适合于资源较少的嵌入式系统应用。移植LW IP协议栈主要有两部分代码： (1)编写操作系统模拟层相关代码; (2) LW IP接口初始设置及网卡驱动。

　　2.1.1　操作系统模拟层相关代码

　　操作系统模拟层存在的目的主要是在μC /OS - Ⅱ和LW IP之间提供一座桥梁， 使LW IP能与μC /OS - Ⅱ能以相同的规范存在于一个系统中并能相互通信。LW IP有信号量和邮箱两种进程通讯方式， 而μC /OS - Ⅱ也提供这两种进程通讯方式。

　　信号量用来同步任务， 操作函数有sys_new_sem (建立并返回一个新信号量) , sys_ sem _ signal(指定要发送的信号量) , sys_sem_free (指定要释放的信号量) , sys_arch_sem_wait (等待由参数sem指定的信号量并阻塞线程) , 在这些函数体中进行数据结构的初始化并加入μC /OS - Ⅱ中的相关函数便可完成。

　　邮箱用来投递消息， LW IP允许将邮箱实现为一个队列，多条消息投递到这个邮箱。

　　μC /OS - Ⅱ提供了丰富的消息队列函数， 且μC /OS - Ⅱ和LW IP投递到邮箱中的消息均用指针实现。该系统建立了多个邮箱， 邮箱通过单向链表接在一起。接收消息的最大数量由消息数组决定， 结构图如图2所示。

　　图2　邮箱数据结构图

　　邮箱建好后用指针P_Mbox指向节点1, 申请新邮箱将节点1和节点2断开， P_Mbox指向节点1的p stNext, 以此类推。回收时P_Mbox的移动方向与申请时相反， 这样不会浪费内存且比较稳定。由以上结构和μC /OS - Ⅱ提供的函数写出邮箱相关函数。

　　除此之外， 还需要编写任务创建函数sys_thread_new和sys_arch_timeouts函数， 由于每个任务都有timeouts链表， sys_arch _timeouts函数返回的sys_timeouts结构保存了timeouts链表的首地址。

　　2.1.2　LW IP初始化设置及底层驱动

　　LW IP的初始化设置包含在LW IP通信进程的入口函数中， 其入口函数LwipEntry的基本结构如下：

　　Void LwipEntry ( void 3 pvArg)

　　{

　　/ /初始化LW IP, 涉及LW IP使用的内存区，PCB ( TCP /UDP)以及OS模拟层各个方面

　　__ilvInitLwip ( ) ;

　　/ /设置LW IP, 包括添加配置网络接口， 建立接受任务等工作

　　__ilvSetLwip ( ) ;

　　/ /在这里建立LW IP 的应用， 服务器支持TCP /UDP方式， 两种方式都建立

　　}

　　底层驱动在服务器每次收发数据中都要调用，这部分代码需要有良好的健壮性和稳定性。整个实现顺序， 如图3所示。

　　图3　底层程序框架图[!--empirenews.page--]发送主线首先是以太网初始化函数( 1)开始，调用链路层发送函数(2)并增加各层协议头， 再调用RTL8019发送函数(9)发送数据。

　　接收主线除初始化以太网外， 需调用链路层初始化函数(3) , ( 3)中调用( 4)初始化RTL8019。

　　收到的数据先经过函数(8) , 然后通过信号量传送到函数(6) , 由( 6)调用( 7)得到数据个数， 最后由(5)根据以太网帧头携带的上层协议类型判断是交给IP协议还是ARP协议处理。

　　移植完毕， 进行数据收发实验验证。使用TCP传输协议， 由网口虚拟串口软件VSPM通过串口调试工具收发数据， 图4是以10 ms的发送速度在自发自收程序中收发数据的截图。

　　图4　TCP协议数据传输界面

　　由于COM1和COM2被PC机占用， 故由网口虚拟出来的串口是COM3, 由图4可看出在面向连接的TCP协议下， 高速收发数据不会丢包。

　　2.2　实时多任务方案的设计

　　16个串口分别与网络端口组成16 个双向通道。为使代码灵活、透明， 程序不使用LW IP提供的SOCKET AP I。应用程序把每个双向通道分为发送， 接收， 串口3个任务， 加上LW IP本身需占用一个任务， 共需建立49个任务。μC /OS - Ⅱ最多能建立64 个任务， 其中8 个操作系统本身占用，剩56个能满足要求。由VSPM软件把网口模拟成16个串口， 串口服务器侦听的16 个端口分别是1 000～1 015, 如图5所示。

　　图5　网口虚拟扩展16个串口界面

　　网络端和串口端的数据接收会触发相应的中断。每个双向通道的3个任务各司其职， 网口端接收数据中断后在传输层协议判断信源的端口号，交给相应的接收任务， 处理完后交给串口任务把数据从相应串口发送; 串口接收数据后在中断程序中判断信源的通道号， 把数据交给串口任务，处理完后由发送任务通过网口把数据发送出去。

　　服务器支持TCP /UDP两种传输协议， 下面给出一个通道的TCP传输流程图， UDP部分代码只需在相应任务中调用LW IP给的UDP函数。TCP模式下串口服务器工作在Server模式， PC机工作在Client模式， 流程图， 如图6所示。

　　图6串口服务器单通道程序流程图

　　3.结论

　　文中本服务器是以性能不及ARM9且不能使用L inux的ARM7为主控芯片， 但两种开源代码μC /OS - Ⅱ实时操作系统和LW IP协议栈的有效结合避免了高额的软件费用， 而且能满足通信要求。实验证明， 基于LW IP和μC /OS - Ⅱ的串口服务器不仅能实现双向通信，而且传输数据实时、准确， 符合工业应用的要求。