1. 引言

傳統(tǒng)行業(yè)中， 特別是工業(yè)控制領域大量設備采用RS232 或RS485 串口與主機通訊，比如：數控機床、數字水表、數字電表、基于字符界面的串口終端等。串口通訊中距離短、速率低是這一類設備的主要缺點，無法進行集中、遠程管理。本項目的研究與開發(fā)旨在為工控領域的串行設備接入以太網、互聯(lián)網提供全面的解決方案。行業(yè)用戶在不浪費原有設備資源的基礎上，通過架設串口聯(lián)網服務器就可以把原有的串行設備無縫接入以太網、互連網，實現集中控制、遠程控制，并能使所有設備共享主機資源， 大大節(jié)約了人力成本和時間成本，提高了生產率。

2.系統(tǒng)性能

串口服務器是一款數據通訊產品， 不僅要求硬件平臺性能高、功耗低，而且對穩(wěn)定性、可靠性要求極高，機器必須7X24 小時連續(xù)工作， 硬件平臺上需要集成看門狗電路，防止系統(tǒng)死鎖。結構上要求體積小巧，美觀。軟件上要求依托成熟穩(wěn)定的操作系統(tǒng)為平臺，定制串口驅動、網絡驅動，改造硬件中斷優(yōu)先級，提高系統(tǒng)的實時性。系統(tǒng)軟件平臺需要同時支持TCP/IP、FTP、TELNET、HTTP 協(xié)議。上層應用核心是串口服務及網絡服務程序，需要設計完善的進程通訊機制，實現串口數據到網絡數據之間的轉發(fā)，要求各串口獨立工作，互不干涉， 每個串口工作在115.2KBPS 速率下不需要流量控制。用戶要求能夠通過本地端口、網絡、Web 等方式對串口服務器進行參數配置， 能夠通過集中管理軟件監(jiān)控機器運行狀態(tài)，并能對核心代碼進行升級，要求維護、安裝方便。

3. 硬件設計

為提升性能， 在實際設計過程中我們需要完全控制串口和網絡的底層信號，提高整個系統(tǒng)的實時性，我們選用了性價比更高一點的X86 兼容平臺RDC 公司的R8610，主頻柯達150Mhz，另外，此平臺下編程及匯編比較容易上手，可以加快產品的上市周期，硬件平臺的主要性能指標如下表：

硬件結構框圖如下：

圖1 硬件平臺結構框圖

4. 軟件設計

4.1 內核定制與驅動設計

操作系統(tǒng)選擇ucLinux，ucLinux 在工業(yè)控制領域性能卓越。由于其代碼精煉，系統(tǒng)消耗小，效率更高。設計過程中，我們將ucLiux 進行了徹底的定制，只保留了與R8610 相關的代碼，集成文件系統(tǒng)、任務調度、進程管理和TCP/IP 模塊， 整個核心代碼控制在500K 以下，運行效果相當穩(wěn)定。

驅動程序設計上，我們重點實現winbond 83977 串口擴展芯片的驅動， 在linux 核心代碼8250.c 的基礎上設計我們自己的驅動， 針對串口擴展芯片特性設計了硬件緩沖中斷機制， 當硬件緩沖到達設置參數（FIFO_SIZE_1、FIFO_SIZE_4、FIFO_SIZE_8） 規(guī)定的字節(jié)數，或者判斷沒有后續(xù)字節(jié)到達時發(fā)出中斷，這樣可以大大提高串口數據讀寫效率。網絡驅動針對DM9008芯片特性定制，充分發(fā)揮DM9008 全雙工屬性，提高網絡數據交換效率。

4.2 應用服務程序設計

核心應用程序基于ucLinux 操作系統(tǒng)設計，主要設計了兩線程，串口服務線程和網絡服務線程，這兩種線程是成對出現的，彼此之間通過兩個隊列serial_queue和tcpsrv_queue 完成數據共享與交換，主要工作流程如下：

（1） 串口線程tcp_ser_proc（）偵聽串口，接收數據，然后發(fā)送到tcpsrv_queue 隊列的數據鏈上； 同時監(jiān)測serial_queue 隊列，如果有數據則發(fā)送到對應的本地串口。

（2） 網絡線程tcp_srv_proc（）偵聽網絡連接請求，建立連接，接收網絡數據，完成解包，最后發(fā)送到serial_queue 隊列上；同時監(jiān)測serial_queue 隊列，如果有數據則發(fā)送到TCP/IP 遠端控制節(jié)點。

圖2 軟件系統(tǒng)架構圖

5.系統(tǒng)測試

使用傳統(tǒng)串口字符終端， 與串口服務器通過串口連接，后臺Linux 系統(tǒng)與串口服務器通過網絡連接，服務器中設置遠端主機為Linux 系統(tǒng)的IP 地址，當串口服務器開機的時候直接通過Telnet 協(xié)議連到Linux 系統(tǒng)上，串口終端就能夠出現login 登錄畫面，如同串口終端直接連到網絡上一樣， 可運行服務器上的后臺應用；服務器上的程序也可以直接對串口操作。系統(tǒng)測試性能良好。

6. 結論

本文設計的串口聯(lián)網服務器，具有操作維護方便、可靠性高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，能夠將工業(yè)控制領域、金融領域等大量使用的串口設備直接連到網絡， 可有效通過管理程序對設備進行遠程、集中管理，提升了設備適應網絡的能力，具有很好的市場前景。