基于LPC2364的串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口專(zhuān)用協(xié)議卡的研制

摘要：給出了采用LPC2364芯片為處理器，并利用以太網(wǎng)中TCP協(xié)議來(lái)設(shè)計(jì)串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸方式轉(zhuǎn)換的一種設(shè)計(jì)方法。該方法中的軟件采用FreerRtos實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)和uIP協(xié)議棧來(lái)實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)通訊和網(wǎng)口數(shù)據(jù)通訊兩項(xiàng)任務(wù)。文中同時(shí)給出了系統(tǒng)框圖和主程序流程圖。
關(guān)鍵詞：TCP／IP協(xié)議；LPC2364；uIP；FreeRTOS；串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口

O 引言
    串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊是一個(gè)可以讓串口設(shè)備立即具備聯(lián)網(wǎng)能力的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。它具有1個(gè)可選擇界面串口和1個(gè)TCP／IP網(wǎng)絡(luò)接口，可讓串口設(shè)備立即連接網(wǎng)絡(luò)。從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備完全自動(dòng)化聯(lián)網(wǎng)管理。該模塊體積小，非常容易整合在系統(tǒng)或設(shè)備內(nèi)，而且可以適應(yīng)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。為此，本文給出了采用LPC2364、DP83848C、SP3485和H2019等芯片構(gòu)成一個(gè)串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。

1 uIP介紹
    uIP是由瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院(網(wǎng)絡(luò)嵌入式系統(tǒng)小組)的Adam Dunkels開(kāi)發(fā)的一種軟件協(xié)議棧。該協(xié)議棧的源代碼由C語(yǔ)言編寫(xiě)，并完全公開(kāi)。uIP協(xié)議棧去掉了完整的TCP／IP中不常用的功能，簡(jiǎn)化了通訊流程，但保留了網(wǎng)絡(luò)通信必須使用的協(xié)議。它把設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在了IP／TCP ／ICMP／UDP／ARP這些網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議上，故可保證其代碼的通用性和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
    由于uIP協(xié)議棧是專(zhuān)門(mén)為嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。因此，uIP還具有如下優(yōu)越功能：
    ◇代碼非常少，其協(xié)議棧代碼不到6K，很方便閱讀和移植。
    ◇占用的內(nèi)存數(shù)非常少，RAM占用僅幾百字節(jié)。
    ◇其硬件處理層、協(xié)議棧層和應(yīng)用層共用一個(gè)全局緩存區(qū)，且不存在數(shù)據(jù)的拷貝，發(fā)送和接收都是依靠這個(gè)緩存區(qū)，故可極大地節(jié)省空間和時(shí)間。
    ◇支持多個(gè)主動(dòng)連接和被動(dòng)連接并發(fā)。
    ◇源代碼中提供的實(shí)例程序包括web服務(wù)器、web客戶(hù)端、電子郵件發(fā)送程序(SMTP客戶(hù)端)、Telnet服務(wù)器、DNS主機(jī)名解析程序等。而且通用性強(qiáng)，移植后基本不用修改就可以通過(guò)。
    ◇對(duì)數(shù)據(jù)的處理采用輪循機(jī)制，不需要操作系統(tǒng)的支持。
    由于uIP對(duì)資源的需求較少且移植很容易，因此，大部分具有小RAM的微控制器都可以使用uIP協(xié)議棧。

2 FreeRTOS介紹
    FreeRTOS是一款可移植且源代碼開(kāi)放的微型實(shí)時(shí)內(nèi)核?？蔀槎喾N不同的處理器架構(gòu)和開(kāi)發(fā)工具提供移植包。每個(gè)官方移植包都包含一個(gè)配置好的應(yīng)用范例，可用來(lái)展示內(nèi)核特性，加快學(xué)習(xí)進(jìn)程。
    FreeRTOS是一種專(zhuān)為小型嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，可擴(kuò)展的實(shí)時(shí)內(nèi)核。其亮點(diǎn)在于其設(shè)計(jì)遵循小型、簡(jiǎn)單、易用的原則，同時(shí)可支持任務(wù)(tasks)和協(xié)程(co-routines)以及隊(duì)列、二進(jìn)制信號(hào)量、計(jì)數(shù)信號(hào)量、遞歸信號(hào)量和互斥量等，可用于任務(wù)之間、任務(wù)和中斷之間的通信和同步。

3 串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊的硬件實(shí)現(xiàn)
    串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊使用到的芯片有LPC2364、DP83848C、SP3485和H2019，其系統(tǒng)的硬件電路圖如圖1所示。

4 串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊的軟件實(shí)現(xiàn)
    本串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊的軟件需要建立兩個(gè)任務(wù)，一是初始化，二是任務(wù)調(diào)度。其中初始化包括時(shí)鐘初始化，協(xié)議棧初始化，IP地址初始化，網(wǎng)關(guān)地址初始化，子網(wǎng)掩碼初始化，網(wǎng)口初始化。串口初始化等。其主函數(shù)代碼如下：
   

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    圖2所示是其主函數(shù)流程圖。主函數(shù)中可進(jìn)行uIP協(xié)議棧初始化和串口初始化的并使并設(shè)置，同時(shí)通過(guò)操作系統(tǒng)初始化來(lái)建立兩個(gè)通訊任務(wù)，然后就可以開(kāi)始操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度。圖3所示是系統(tǒng)中的串口任務(wù)控制流程。

5 協(xié)議轉(zhuǎn)換卡的通訊試驗(yàn)
    本文的協(xié)議轉(zhuǎn)換卡并不是通用意義上的協(xié)議轉(zhuǎn)換卡，而是基于特定串口通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換卡。該卡在規(guī)定的協(xié)議中，由網(wǎng)口接收到的數(shù)據(jù)可以分為兩種，一種是控制命令，一種是查詢(xún)命令。在軟件中，串口任務(wù)和網(wǎng)口任務(wù)有兩個(gè)共享的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，通過(guò)串口任務(wù)可檢查緩沖區(qū)，如果緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)，則根據(jù)通訊協(xié)議判斷這些數(shù)據(jù)是否是正確的指令，若是正確的指令，則判斷是查詢(xún)命令還是控制命令，若是控制命令，則將此控制命令發(fā)送出去，并清空緩沖區(qū)；若是查詢(xún)命令，網(wǎng)口任務(wù)則會(huì)到另一個(gè)緩沖區(qū)中取出數(shù)據(jù)，并用協(xié)議棧將此數(shù)據(jù)發(fā)送出去，同時(shí)清空緩沖區(qū)。通過(guò)用TCP通訊客戶(hù)端檢測(cè)工具和串口調(diào)試助手調(diào)試可以發(fā)現(xiàn)，如果TCP通訊客戶(hù)端發(fā)出的是查詢(xún)命令，則網(wǎng)口任務(wù)自動(dòng)到預(yù)定的緩沖區(qū)取出數(shù)據(jù)，并發(fā)送出來(lái)，同時(shí)在TCP通訊客戶(hù)端上顯示出來(lái)；如果TCP通訊客戶(hù)端發(fā)出的是控制命令，則等待串口調(diào)試助手的返回?cái)?shù)據(jù)。如果有返回，則在TCP通訊客戶(hù)端上顯示出來(lái)；如果串口助手沒(méi)有返回，軟件控制則一直發(fā)送控制命令，直到收到正確的回復(fù)。

6 結(jié)束語(yǔ)
    本文所設(shè)計(jì)串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口的轉(zhuǎn)換卡是具有串口通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換卡。協(xié)議卡對(duì)收到的數(shù)據(jù)會(huì)進(jìn)行分析和判斷，進(jìn)而決定數(shù)據(jù)的發(fā)送方式，從而實(shí)現(xiàn)FreeRTOS操作系統(tǒng)和uIP協(xié)議棧的結(jié)合。此外，由于FreeRTOS操作系統(tǒng)和uIP協(xié)議棧對(duì)用戶(hù)而言是透明的，因此，該模塊可以方便地隨時(shí)修改串口通訊速率、串口通訊格式、IP地址、網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼等功能．并充分利用FreeRTOS操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性以及實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，同時(shí)可發(fā)揮以太網(wǎng)通訊效率高的特點(diǎn)，來(lái)為實(shí)施數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換提供方便。