目前工業(yè)領域中有大量的設備不具備以太網接口，但這些設備都提供RS－232串口或RS－422/485串口。RS－232只能提供近距離數(shù)據傳輸，且速度不高。RS－422/485雖然能提供遠距離數(shù)據傳輸，但卻是獨立于Internet之外，不便于網絡管理。而以太網有傳輸速度快，傳輸距離遠，能夠為任何一臺聯(lián)網的計算機提供監(jiān)控和數(shù)據存取服務。為使傳統(tǒng)串口設備能夠方便、快捷地接入互聯(lián)網，筆者以ARM7處理器LM8962和串口擴展芯片SC28L198為核心構建嵌入式系統(tǒng)（串口服務器），完成以太網數(shù)據與串行口數(shù)據之間的相互轉換。一方面，LM8962將SC28L198發(fā)送過來的串口數(shù)據打包成以太網數(shù)據幀，并通過自身的以太網控制器發(fā)往主機；另一方面，LM8962將收到的以太網數(shù)據解包，分離出數(shù)據和相應的串口設備號，然后通過SC28L198的相應通道發(fā)往串口設備。筆者簡化了復雜的硬件電路設計，能夠實現(xiàn)低成本、高速度的單芯片多串口擴展方案。采用該方案，能夠將串口設備虛擬成計算機的一個COM接口，用戶對串口設備進行遠程操作無需考慮數(shù)據傳輸?shù)膹碗s性。

　　1 串口服務器硬件結構

　　該系統(tǒng)選用TI公司生產的ARM芯片LM8962作為主控MCU以及選用Phillips公司生產的芯片SC28L198作為8通道UART控制器。

　　該系統(tǒng)的主要功能是完成TCP/IP協(xié)議與串口通信協(xié)議之間的相互轉換。

　　主控制器LM8962是由LuminaryMicro公司開發(fā)的一款基于ARMCortex－M3MCU內核的32位微處理器。該處理器支持的最大主頻為50MHz，具有嵌入式Flash和SRAM、運動控制PWM等內部模塊。LM8962內部集成了以太網控制器，結合了Bosch控制器局域網技術和10/100以太網媒體訪問控制（MAC）以及物理（PHY）層，簡化了該系統(tǒng)以太網連接的硬件電路設計。該微控制器使用了兼容ARMThumb?的Thumb2指令集來減少存儲容量的需求，并以此達到降低成本的目的。系統(tǒng)的硬件結構如圖1所示。

圖1硬件結構圖

　　UART器件SC28L198提供了8路相互獨立的全雙工異步通道，每路UART通過同步總線接口與主機進行通信。每個通道的接收器和發(fā)送器均具有16個字符的FIFO，最大限度地減少了接收器超時的情況，使用用戶定義的Xon/Xoff字符可實現(xiàn)自動帶內流量控制，在喚醒模式下可進行地址識別。SC28L198同時還包括以下功能模塊：

　　時序模塊，其中包含一個可產生22個工業(yè)標準的波特率的通用波特率發(fā)生器和用來產生非標準波特率的2個16位計數(shù)器；I/O口控制模塊和狀態(tài)變化檢測器模塊；可仲裁24個中斷的中斷仲裁系統(tǒng)。為了降低軟件開銷，器件包含的中斷仲裁系統(tǒng)通過直接訪問或修改中斷向量的方法來報告UART中斷的情況。報告的中斷上下文包括通道編號、器件中斷類型（接收器COS等）、發(fā)送器或接收器FIFO的填充點。

　　2 串口擴展電路

　　圖2描述了具有8通道的串口聯(lián)網服務器的電路連接框圖。串口服務器的硬件由兩個主要芯片和其他外圍電路組成。在SC28L198的管腳中，CEN、W_RN、IACKN、DACKN、IRQN、SCLK管腳控制著主機外部與內部數(shù)據總線與SC28L198之間的數(shù)據傳輸，管腳A7～A0為SC28L198與ARM相連的地址總線，D7～D0為SC28L198與ARM傳輸數(shù)據的數(shù)據總線。

圖2電路連接框圖

波特率發(fā)生器工作在振蕩器或外部X1/CCLK時鐘輸入下，可以產生22個50.0～230.4k范圍內的常用數(shù)據通信波特率。通常使用的外部晶振頻率為3.6864MHz和7.3728MHz，在7.3728MHz工作頻率下產生的波特率是3.6864MHz下產生的兩倍。每個接收器和發(fā)送器可以工作在不同的波特率下，通過向波特率選擇寄存器寫入不同的選擇代碼將產生不同的波特率。

　　SC28L198的系統(tǒng)時鐘（SCLK）可同時作為主機接口和其他內部電路的基本時間基準。為了確保內部控制器的正確操作，提供的SCLK頻率必須大于X1晶體時鐘的2倍或任何外部的1X數(shù)據時鐘輸入。由于LM8962芯片本身沒有提供時鐘信號輸出引腳，若由定時器中斷產生7.3728MHz以上頻率的方波信號將使LM8962頻繁處理中斷程序，影響程序執(zhí)行效率。當SC28L198工作在50MHz頻率下，其中的PWM硬件模塊最高可以產生25MHz輸出，且不產生任何中斷，因此LM8962將從頻繁的查詢和處理中斷中解脫出來。

　　在該系統(tǒng)中，需根據不同的應用場合使用RS－232收發(fā)器或RS－422/485收發(fā)器及其外圍電路。使用RS－232收發(fā)器可以進行近距離全雙工通信，使用RS－422/485收發(fā)器能夠進行遠距離數(shù)據傳輸。由于整個系統(tǒng)工作于3.3V電壓下，為了匹配TTL電平和RS－232電平或RS－422/485電平，該電路采用MAX3232芯片或MAX3485芯片。

　　LM8962內部集成的以太網控制器包含一個完整的MAC模塊和PHY接口器件，簡化了硬件電路設計。該以太網控制器完全支持10BASE－T和100BASE－TX標準以及遵守IEEE802.3協(xié)議。整個系統(tǒng)連接以太網只需一個隔離變壓器，無需外接以太網控制芯片，簡化了硬件設計。隔離變壓器能夠隔離模塊地和數(shù)字地，從而保證SC28L198能夠遠離外界的復雜信號。

　　3 軟件設計

　　在該系統(tǒng)中，用戶可以對串口服務器的配置、狀態(tài)查詢和在計算機（客戶端）上通過以太網收發(fā)數(shù)據進而操作該串口服務器。在客戶端上，8個SC28L198的通道被虛擬成8個COM接口。操作這些虛擬COM接口就如同操作計算機上的物理COM接口，因此用戶不必知道數(shù)據是通過以太網進行傳輸。實際上，用戶操作這些COM接口時，產生的命令和數(shù)據將被打包成一幀數(shù)據并發(fā)往處理器LM8962，然后LM8962將數(shù)據通過SC28L198的相應通道發(fā)送到設備上。串口服務器使用ARM處理器LM8962作為嵌入式設備的核心器件，在其上運行μC/OS－II操作系統(tǒng)來打開、關閉和管理8個串行通道的相應進程。因此，8個串行通道能夠同時收發(fā)數(shù)據而不相互影響。

　　3.1μC/OS－II

　　μC/OS－II是免費開源、專門為嵌入式系統(tǒng)設計的實時操作系統(tǒng)。它包括任務計劃、任務管理、時間管理、內存管理、任務間的通信以及其他一些基本功能。在該系統(tǒng)中采用μC/OS－II來實現(xiàn)以下功能：

　?。?）建立一個消息隊列來存儲串口通道的消息和UDP消息；（2）控制SC28L198收發(fā)串口數(shù)據；（3）建立一個任務來管理UDP通信，并通過以太網收發(fā)數(shù)據；（4）建立一個任務來管理串口通道收發(fā)任務與UDP通信任務之間的通信。

　　3.2TCP/IP模塊

　　TCP/IP協(xié)議具有分層結構，能夠實現(xiàn)對以太網數(shù)據幀進行打包和解包。UDP在TCP/IP的傳輸層，提供一種不可靠的數(shù)據傳輸服務，但UDP協(xié)議相對簡單，比起TCP協(xié)議更能夠提供實時和快速的數(shù)據傳輸。在正常的運行過程中，該TCP/IP程序模塊能夠從數(shù)據隊列中獲取串口通信的數(shù)據并將數(shù)據打包至UDP包中，然后將UDP包發(fā)送至IP層，最后形成一幀數(shù)據。該幀數(shù)據將會通過以太網發(fā)送到計算機中。與此同時，該程序模塊還將從以太網接收到的數(shù)據解包出來，將其中的串口通道號和串口數(shù)據發(fā)送到SC28L198中去。表1描述了收發(fā)一幀數(shù)據的格式。

表1數(shù)據傳輸格式