基于Linux的串口服務(wù)器設(shè)計(jì)

　　串口服務(wù)器的功能

　　串口服務(wù)器是一種通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器，它設(shè)有兩類通信端口：一類是標(biāo)準(zhǔn)的RS232/422/485格式的串行端口，遠(yuǎn)程的RTU(遠(yuǎn)程終端設(shè)備)監(jiān)控模塊通過串行控制總線接入串口服務(wù)器的此類端口;另一類是以太網(wǎng)口，通過網(wǎng)線將串口服務(wù)器接入局域網(wǎng)的交換機(jī)等設(shè)備中。

　　串口服務(wù)器在工作中可自動將RS232/422/485格式的串行數(shù)據(jù)與基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包進(jìn)行透明轉(zhuǎn)換。一方面，串口服務(wù)器收到來自某一串行端口的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為TCP/IP格式的數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)上傳;另一方面，串口服務(wù)器在局域網(wǎng)中捕獲合法的數(shù)據(jù)協(xié)議包，通過解包來解析出有效的控制信息，通過監(jiān)控機(jī)指定的串行端口將控制命令以串行數(shù)據(jù)的方式傳送給遠(yuǎn)程RTU。

　　硬件平臺

　　此系統(tǒng)的硬件平臺如圖1所示，它是以AT91RM9200芯片構(gòu)建的MulTIbus-CPU開發(fā)板。MulTIBus-CPU系統(tǒng)是基于AT91RM9200微控制器的智能化多總線測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以建立基于Modbus-RTU總線協(xié)議的總線通信，使系統(tǒng)設(shè)備可以無縫地接入到基于Modbus-RTU模式的總線系統(tǒng)，以及可靠、實(shí)時(shí)并準(zhǔn)確地完成工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集和信號輸出等功能。系統(tǒng)支持Modbus-RTU協(xié)議，同時(shí)，系統(tǒng)還支持多種總線通信，包括RS485總線，工業(yè)以太網(wǎng)(UDP協(xié)議)，串口RS232通信接口和USB通信接口。

　　圖1：CPU模塊原理圖。

　　軟件平臺

　　本設(shè)計(jì)采用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)。ARM上的Linux的主要優(yōu)勢：可擴(kuò)展的完整操作系統(tǒng)提供了可靠的多任務(wù)環(huán)境，基于開源模型(GPL)，利用多種UNIX和開源應(yīng)用程序以及用于基于ARM技術(shù)的多種設(shè)計(jì)(包括網(wǎng)絡(luò)和無線領(lǐng)域)。

　　Modbus協(xié)議

　　Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器的一種通信語言。利用這個(gè)協(xié)議，控制器相互之間以及控制器通過網(wǎng)絡(luò)(例如以太網(wǎng))和其他設(shè)備之間進(jìn)行通信。

　　主流的Modbus協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議(Modbus RTU協(xié)議)和Modbus TCP協(xié)議。標(biāo)準(zhǔn)的Modbus通信協(xié)議定義了報(bào)文幀的每一字節(jié)，定義了怎樣將數(shù)據(jù)打包成報(bào)文幀以及如何解碼。報(bào)文幀包括一個(gè)字節(jié)的地址碼，一個(gè)字節(jié)的功能碼，數(shù)據(jù)和兩個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)碼。其中，校驗(yàn)碼采用CRC校驗(yàn)。

　　Modbus TCP協(xié)議是在標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展而來的。它是將Modbus協(xié)議嵌入到底層TCP/IP協(xié)議中構(gòu)成的，這樣就在TCP/IP的以太網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)了客戶機(jī)-服務(wù)器架構(gòu)的Modbus報(bào)文通信。二者的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　圖2：標(biāo)準(zhǔn)Modbus與Modbus_TCP數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)對比。

　　分析Modbus TCP協(xié)議和RTU協(xié)議，可以非常清楚地看出兩者的主要區(qū)別。與Modbus RTU協(xié)議相比，Modbus TCP數(shù)據(jù)幀里已不再有CRC校驗(yàn)，而這部分校驗(yàn)的任務(wù)是由TCP/IP協(xié)議和以太網(wǎng)的鏈路層來完成的。另外，Modbus TCP較標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議還加入了一個(gè)MBAP報(bào)文頭，由它來解釋說明Modbus的參數(shù)和功能。其他部分兩者可以互相通用。如果TCP協(xié)議轉(zhuǎn)換為RTU協(xié)議，那么，只需要把TCP協(xié)議MBAP頭中的“單元標(biāo)識域”和后續(xù)字節(jié)組成一幀，再加上此幀的CRC校驗(yàn)就可以組成RTU協(xié)議，而在串行鏈路上進(jìn)行發(fā)送。如果是RTU協(xié)議轉(zhuǎn)換到TCP協(xié)議的話，那么要根據(jù)實(shí)際情況組建一個(gè)MBAP頭。

　　獲取配置信息GetConfigValue功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　在設(shè)計(jì)串口服務(wù)器之前，首先要配置相應(yīng)的設(shè)備號并給設(shè)備配置相應(yīng)的串口服務(wù)器IP地址、TCP通信端口號和串口參數(shù)等，這些配置信息放在一個(gè)txt文件當(dāng)中。

　　我們設(shè)計(jì)了一個(gè)Configinfo.txt文件，當(dāng)我們需要向一個(gè)設(shè)備傳遞信息時(shí)，需要首先從文件中讀取配置信息，對相應(yīng)的串口及工控板的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置，然后再進(jìn)行相應(yīng)的操作。這時(shí)，我們在其中用到了兩個(gè)自定義函數(shù)：GetConfigValue和GetCFGValue。其中GetConfigValue的功能是將Configinfo.txt中的信息配置給串口服務(wù)器，它調(diào)用GetCFGValue函數(shù)，在Configinfo.txt中尋找相應(yīng)的配置信息項(xiàng)，并截取相應(yīng)的配置信息。它們的程序框圖如圖3(a)和3(b)所示。

　　圖3：GetConfigValue函數(shù)程序流程圖(a)和GetCFGValue函數(shù)程序流程圖(b)。

　　串口操作函數(shù)封裝的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　在對串口進(jìn)行相應(yīng)的操作時(shí)，首先要打開串口并配置串口的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和工作模式等。這些關(guān)于串口的操作都封裝在一個(gè)文件當(dāng)中，以使結(jié)構(gòu)清晰，方便檢查以及修改或增加更多的操作函數(shù)。所進(jìn)行的包括以下幾種操作。

　　串口的打開和關(guān)閉：打開串口時(shí)，需要首先判斷串口的類型，然后以一定的方式打開串口并保存原來的串口配置信息，最后對串口進(jìn)行波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)位的設(shè)置。關(guān)閉串口時(shí)，需要將原來保存的終端信息恢復(fù)，使串口回到打開前的狀態(tài)。

　　對串口進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫：串口的讀寫操作是串口服務(wù)器最基本的功能，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送過來時(shí)，需要通過串口發(fā)送。寫串口操作會把內(nèi)存中的數(shù)據(jù)寫入所指的文件，讀串口操作會把串口送來的數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存中。分別用writecomport和readcomport來實(shí)現(xiàn)。

　　對串口進(jìn)行設(shè)置：需要設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)位。調(diào)用定義的封裝函數(shù)，來完成這些操作。串口的工作模式通過termios函數(shù)的配置來控制。

　　Modbus TCP/RTU相互轉(zhuǎn)換功能的實(shí)現(xiàn)

　　這一步是串口服務(wù)器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，其轉(zhuǎn)換重點(diǎn)在于CRC校驗(yàn)和MBPA報(bào)頭的變換。在這里，定義mod2tcp函數(shù)來完成Modbus RTU到TCP格式的轉(zhuǎn)換，定義tcp2mod函數(shù)來完成Modbus TCP到RTU格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。例如，來自Modbus主站的TCP協(xié)議請求，經(jīng)串口服務(wù)器轉(zhuǎn)換成Modbus RTU格式，經(jīng)485口發(fā)送給從站，并將從站相應(yīng)數(shù)據(jù)經(jīng)485接口送入串口服務(wù)器，轉(zhuǎn)換成Modbus TCP格式信息返回主站(圖4)。

　　圖4：Modbus TCP/RTU相互轉(zhuǎn)換示例。