基於樹莓派的多串口多總線伺服器設計

引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201609/304386.htm

工業控制中，各設備的信號採集和監控只靠串口總線難以實現擴展，要將現場控制網絡和信息網絡相連，就需要解決串口通信協議和網際網路通信協議的轉換問題，即把原有設備轉換為具備網絡接口的外設，這樣可以將傳統串行鏈路上的數據傳輸到信息網絡上，而無需更換原有設備。如此，可以提高原有設備利用率、增加多終端連接數、節約成本、簡化布線的複雜度及延長通信距離。

近年來，因信息化和物聯網發展的需要，串口伺服器大量湧現，它們不佔用主機資源，且具有終端伺服器的功能。不過，設備體積龐大、價格昂貴、串口不易裁剪或擴展、傳輸大量數據幀時丟包、參數配置繁雜等問題也隨之出現。

本設計採用的串口伺服器的核心設備——樹莓派，是一款體積小、價格便宜但功能非常強大的平臺，可通過多種通信方式接入網際網路，支持多種完整網絡協議，結合USB—hub及USB/串口轉換器使用，可保證串口伺服器使用方便，並實現實時、準確、長時間穩定的數據傳輸。

1 總體設計

根據當今工業現場數據傳輸需求，應具備的技術指標和設置參數如下。

1.1 技術指標

①主控晶片：32位700 MHz的ARM1176JZF—S處理器;

②作業系統：Linux;

③支持協議：TCP/IP、UDP、HTTP、FTP;

④網絡接口：10/100 Mbps自適應乙太網接口;

⑤串口類型：1～16個RS 232/RS485/RS422接口，1個TTL電平串口;

⑥參數配置方式：WEB瀏覽器配置;

⑦會話數：支持多連接，滿足5個以內用戶同時管理一個模塊設備;

⑧工作模式：TCP客戶端、TCP伺服器、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 設置參數

該設備選擇WEB瀏覽器設置方式，內置WEB伺服器，用戶可進行IP位址、串口通信參數、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的設置。

(1)串口通信參數

①波特率為2 400～115 200 bps;

②數據位為6/7/8/9;

③校驗位為None/Even/Odd;

④停止位為1/1.5/2;

⑤成幀長度為1～15000位元組;

⑥成幀間隔為30～500位。

其中，成幀長度指每一幀接收數據的長度，接收端緩衝區一旦接收到該長度的數據就轉發出去;成幀間隔就是所謂的串口超時，超時時間T(s)、成幀間隔N(位)、波特率B(b/s)的關係如下。一旦超時，不管已有數據長度是不是達到成幀長度，接收端緩衝區就將已有數據組幀轉發出去。

(2)工作模式參數

①單個串口支持會話數為1～5個，每個會話模式間相互獨立;

②TCP伺服器模式為綁定埠範圍為1025～65535;

③TCP客戶端模式為需配置目標伺服器IP、埠及自動重連時間，其中自動重連時間指網絡連接中斷或者伺服器異常時，重新發起主動連接的時間間隔，循環自動重連直到正常連接上為止;

④UDP廣播模式為需配置本地埠、目標伺服器IP和目標埠。

2 硬體設計

此串口伺服器根據以上指標選用最新的樹莓派、USB—hub及北京世紀聯信公司生產的USB/四串口轉換器組合而成。

2.1 硬體結構組成

串口伺服器硬體結構組成如圖1所示，樹莓派具有兩個USB接口、一個TTL串口及一個10/100 MHz自適應乙太網接口。一個USB接口通過USB—hub和n(可據情況選擇，最多時n=4)個USB/串口轉換器擴展出4n個RS232/RS422/RS455串口，另一個可外接無線USB網卡，從而實現區域網或廣域網中有線或無線數據傳輸。

2.2 樹莓派簡介

樹莓派(Raspberry Pi)是一款基於Linux系統的只有一張信用卡大小的單板計算機，配備一枚博通生產的700 MHzARM架構BCM2835處理器，512 MB內存，使用SD卡當作存儲介質，作業系統採用開源的Linux系統，提供並支持Python作為主要程式語言。

2.3 USB—hub簡介

USB—hub(USB集線器)是一個將多個USB設備連接到計算機上的USB接口或另一個USB集線器上某時候，它們都來自於主板內部一個或者兩個主USB接口，而不是相互獨立的硬體。一個USB接口、一個USB集線器和若干個外圍設備可以構建一個USB網絡。本系統選用的USB—hub由一個USB接口擴展出4個USB接口。

2.4 USB/串口轉換器簡介

USB/串口轉換器選用北京世紀聯信LENSYS—USB2COM-4模塊。它是一種導軌安裝式串口擴展模塊，實現了用USB口擴展4串口的功能，可以通過USB快速擴展四個計算機串口，通過撥碼開關設定RS 232/422/485接口方式，還可以實現4個RS 232轉4個RS422/485的功能。通過該模塊能夠可靠、實時、便捷地完成工業現場RS232/485/422信號的傳輸和轉換，廣泛應用於石油天然氣、水利、電力調度、市政調度等行業。

3 軟體設計

此串口伺服器軟體設計基本結構如圖2所示，客戶端只是WEB瀏覽器，軟體設計則主要體現為伺服器端的網頁展現、業務邏輯和數據存儲。

WEB伺服器負責串口伺服器通信參數的手動配置和存儲、通信程序的手動啟停等;應用伺服器負責實現TCP/IP網絡與串行接口設備的互通，完成TCP/IP協議格式的數據與串行數據間的相互轉換;資料庫主要包含用戶管理數據表、串口參數配置數據表、工作模式配置數據表。

下面介紹串口伺服器軟體設計中3個主要任務：WEB伺服器的設計、WEB配置頁面的設計和串口聯網通信程序的設計。

3.1 WEB伺服器的設計

由於串口數量較多，所以在樹莓派中植入WEB伺服器，由WEB伺服器將用戶的請求轉換為對後臺數據的查詢或更新，並將友好的圖形界面在瀏覽器上展示給用戶，實現簡便統一的遠程通信參數配置、設備管理、用戶管理、監控串口伺服器運行狀態。