高效串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)適配器設(shè)計(jì)

當(dāng)20世紀(jì)70和80年代采用RS-232串行協(xié)議來(lái)解決電子終端及個(gè)人電腦的需求時(shí)，很少有人會(huì)想到它會(huì)成為這樣一種普適標(biāo)準(zhǔn)特性。數(shù)以千計(jì)的工業(yè)設(shè)備是基于RS-232接口開(kāi)發(fā)出來(lái)的。但對(duì)于電子通信而言，發(fā)展的步伐已進(jìn)入到一個(gè)更高水平。

今天，以太網(wǎng)是用于本地和廣域網(wǎng)應(yīng)用、定義完善的標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)數(shù)設(shè)備通過(guò)以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)。盡管存在其它物理層實(shí)現(xiàn)，但直到電子通信因需要引入更快、更先進(jìn)的協(xié)議之前，以太網(wǎng)仍將會(huì)占有相當(dāng)話語(yǔ)權(quán)。

無(wú)數(shù)新設(shè)計(jì)仍將以太網(wǎng)作為主要網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。其它設(shè)計(jì)可能采用不同的物理接口，但仍將采用TCP/IP來(lái)接入互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)。事實(shí)上，廣為接受的以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議是互聯(lián)網(wǎng)得以在過(guò)去二十年迅速發(fā)展的主要原因。但RS-232又面臨哪些情況？ 　　持續(xù)發(fā)展 　　數(shù)以百萬(wàn)的電子產(chǎn)品仍將RS-232作為一種串行接口。這種情況在發(fā)展中國(guó)家尤其如此，這些國(guó)家和地區(qū)的開(kāi)發(fā)商可能缺乏足夠的預(yù)算以從傳統(tǒng)系統(tǒng)升級(jí)到新技術(shù)。因此，必須考慮某些形式的可持續(xù)發(fā)展。

RS-232串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)適配器，即用來(lái)將傳統(tǒng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)應(yīng)用全新環(huán)境的進(jìn)化鏈中的“缺失環(huán)節(jié)”，是在這種新環(huán)境下仍能發(fā)揮作用的具成本效益的方式。當(dāng)估一個(gè)串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)橋方案時(shí)，開(kāi)發(fā)人員應(yīng)考慮如下因素。

小尺寸：優(yōu)化的PCB設(shè)計(jì)，以及集成度更高因而數(shù)量更少的器件，使得設(shè)計(jì)項(xiàng)目的體積和成本都得以降低；工作電壓：應(yīng)與RS-232和RS-485等通用串行通信標(biāo)準(zhǔn)兼容。適應(yīng)性：強(qiáng)烈建議采用可定制和分層的軟件以及靈活的硬件設(shè)計(jì)以使該設(shè)計(jì)更適用于不同的應(yīng)用；易用性：用于配置和監(jiān)控的簡(jiǎn)單接口，如圖形用戶界面和LED指示燈等提升了易用性；性能：橋接方案應(yīng)在不給用戶帶來(lái)任何不便的情況下，實(shí)現(xiàn)RS-232和/或RS-485與以太網(wǎng)的轉(zhuǎn)換。建議使用一個(gè)帶串行通信接口的微控制器和一個(gè)以太網(wǎng)媒體訪問(wèn)控制器(MAC)。為降低成本，設(shè)備只需具有恰好能滿足應(yīng)用所需的性能就好；系統(tǒng)成本：開(kāi)發(fā)人員應(yīng)盡可能降低系統(tǒng)成本。

實(shí)現(xiàn)成本效益 　　

當(dāng)你試圖把新舊系統(tǒng)連接起來(lái)時(shí)，成本效益是什么？即軟件必須是互補(bǔ)的而硬件成本應(yīng)盡量低。因此，強(qiáng)烈建議采用不花成本但仍然具有魯棒性且可定制的軟件方案。

現(xiàn)成的操作系統(tǒng)和協(xié)議?？梢院?jiǎn)化這一工作。與從頭開(kāi)發(fā)自己的任務(wù)調(diào)度器、以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議?；驊?yīng)用相比，添加、修改或刪除軟件模塊所花的力氣要小得多。目前，你可以找到各種各樣的免授權(quán)和開(kāi)源協(xié)議棧及操作系統(tǒng)。但選擇的時(shí)候仍需明智，因?yàn)樗鼈兣c硬件和所能獲得的支持息息相關(guān)。

你可能有能夠滿足串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)橋接功能的應(yīng)用。但如果所選處理器件(微處理器或微控制器)功能超過(guò)了性能要求，則成本就可能過(guò)高。而如果所選器件的性能不夠，那么最終產(chǎn)品的功能將滿足不了應(yīng)用需求。

微處理器可以輕松完成這個(gè)任務(wù)。但微控制器已經(jīng)發(fā)展到可以運(yùn)行操作系統(tǒng)且能以低得多的成本提供以太網(wǎng)連接這樣一個(gè)階段。采用一款帶有小容量SRAM和閃存的低端32位微控制器可以輕松實(shí)現(xiàn)一個(gè)串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)的橋接設(shè)計(jì)。

使設(shè)計(jì)和定制更容易 　　

即使你已經(jīng)找到了具有所需性能和外設(shè)以及足夠的SRAM和閃存以運(yùn)行簡(jiǎn)化的操作系統(tǒng)和基本以太網(wǎng)協(xié)議棧的具有成本效益的微控制器，你仍需把這些軟件和硬件模塊整合在一起。工程時(shí)間會(huì)影響系統(tǒng)成本，那么，該如何簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)工作呢？ 　　建議采用分層軟件架構(gòu)?？梢园阉胁煌K整合在一起創(chuàng)建一個(gè)可組織開(kāi)發(fā)進(jìn)程的軟件環(huán)境。這會(huì)直接影響工程進(jìn)度以及后繼對(duì)串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)橋的定制。

這種分層軟件模型基于把幾個(gè)主要軟件模塊分成不同層以及從本質(zhì)上對(duì)所用的硬件實(shí)施抽象。硬件抽象層(HAL)被定義為：通過(guò)HAL/HW接口直接訪問(wèn)硬件資源的軟件組件集，它們包括外設(shè)、配置寄存器，優(yōu)化的匯編器程序(帶合適的原型)、預(yù)編譯的目標(biāo)代碼庫(kù)或任何其它硬件相關(guān)資源。

這樣，若以后需對(duì)軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，就可將其移植到更高端的微控制器和不同的硬件平臺(tái)。軟件可容易地“進(jìn)化”，并且當(dāng)新增外設(shè)甚至改變協(xié)議和硬件時(shí)可以平穩(wěn)過(guò)渡，從而使更多軟件可復(fù)用于未來(lái)改善的設(shè)計(jì)。

集成 　　

圖1詳解了一個(gè)典型的分層軟件架構(gòu)。應(yīng)用軟件工作在操作系統(tǒng)(FreeRTOS)下，它處理以太網(wǎng)協(xié)議棧(LwIP)和微控制器外設(shè)(見(jiàn)下表)。硬件包括飛思卡爾的32位MCF51CN128微控制器，所需外部元件極少。

在商用串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)橋應(yīng)用中，F(xiàn)reeRTOS開(kāi)源軟件提供了足夠的功能。它處理信號(hào)、多路復(fù)用、中斷、RAM管理、搶占式任務(wù)、?？臻g和任務(wù)優(yōu)先級(jí)等工作。FreeRTOS得到廣泛支持，這款嵌入式微控制器業(yè)界的知名軟件已在至少19種架構(gòu)中得到應(yīng)用。代碼精煉是其一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。

所選的開(kāi)源TCP/IP協(xié)議棧處理所有以太網(wǎng)事務(wù)。因其平衡了功能性和低RAM /閃存需求，所以在串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)橋應(yīng)用中受到極力推薦。在編譯時(shí)，LwIP占用12.15kb的RAM來(lái)啟動(dòng)串口橋所需的所有TCP/IP服務(wù)。

在運(yùn)行時(shí)，堆棧分配并釋放一些緩沖區(qū)，并從堆棧中獲取所需的RAM。它使用非常有限的一組網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)發(fā)送和接收來(lái)自應(yīng)用更高層的信息。支持的協(xié)議包括TCP/IP、ICMP、UDP、專(zhuān)門(mén)的RAW API(用于該串口橋)、可選的插孔API、DHCP、PPP以及ARP等。

32位微控制器MCF51CN128包含128kb閃存和24kb SRAM。其片上存儲(chǔ)器足夠運(yùn)行串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)橋應(yīng)用以及操作系統(tǒng)和以太網(wǎng)棧。

MCF51CN128工作在50MHz最高頻率提供所需功能。它集成了一個(gè)快速以太網(wǎng)控制器(FEC)和諸如UART(SCI)、SPI和I2C等串行接口。其余的通用I/O(GPIO)引腳支持驅(qū)動(dòng)面向狀態(tài)驗(yàn)證的LED等其它工作。該芯片適合這一應(yīng)用并具有低BOM成本。

串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn) 　　

為簡(jiǎn)單的串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)橋研制了一個(gè)參考設(shè)計(jì)作為交鑰匙方案，它具有Web服務(wù)器、FTP服務(wù)、電子郵件客戶端、SD-CARD支持及其它吸引人的特性。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并能最大限度地在不同產(chǎn)品設(shè)計(jì)中復(fù)用該設(shè)計(jì)布局，可將該系統(tǒng)分為兩個(gè)主要硬件模塊：最小系統(tǒng)和演示系統(tǒng)(圖2)。

最小系統(tǒng)包括實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)功能所需的所有硬件。這個(gè)最小的硬件模塊只有1.15×1.55英寸大。通過(guò)提供一個(gè)未穩(wěn)壓的3.7到5.5V電源，這款以太網(wǎng)功能的最小實(shí)現(xiàn)不再需要其它器件。

演示系統(tǒng)則帶有uSD卡插座、按鈕和LED等其它功能。頂層和底層分別可見(jiàn)用于隔離這兩個(gè)系統(tǒng)的零歐姆電阻(圖3)。斷開(kāi)零歐姆電阻就把演示系統(tǒng)和最小系統(tǒng)隔離開(kāi)來(lái)。

對(duì)于這個(gè)具體實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)，以太網(wǎng)接口通過(guò)以太網(wǎng)電纜中兩對(duì)空閑電纜對(duì)參考設(shè)計(jì)板供電。請(qǐng)注意，這不是以太網(wǎng)供電(PoE)標(biāo)準(zhǔn)。UART引腳(+5.5 V)、電源插座連接器以及經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓的3.3V電源接口也可供電并支持特定的系統(tǒng)功能(圖2)。利用PCB上的削切線(cut-trace)可實(shí)現(xiàn)所有這些選項(xiàng)。

該串口橋可通過(guò)一組命令工作在配置模式，其中UART(SCI)或SPI用于配置功能。在配置模式，可改變MAC、IP、掩膜、網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器地址等各種選項(xiàng)。

可以指定是使用靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)地址，而諸如連接哪個(gè)端口以及客戶機(jī)/服務(wù)器實(shí)現(xiàn)地址等TCP參數(shù)也是可配置的?？尚薷牡腢ART參數(shù)包括端口、波特率、奇偶校驗(yàn)、位數(shù)、停止位和流量控制(硬件或軟件)。最后，可對(duì)SPI進(jìn)行端口、波特率、極性、相位、主/從和輪詢/中斷處理等配置。

當(dāng)該參考設(shè)計(jì)工作在橋模式，串口收到的字符被發(fā)送到以太網(wǎng)，反之亦然。串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)橋工作在兩個(gè)接口之間，其目的是在這兩個(gè)接口間提供高速數(shù)據(jù)傳輸。

連接串口與以太網(wǎng) 　　

快速以太網(wǎng)控制器(FEC)是飛思卡爾的MAC實(shí)現(xiàn)。FEC在緩沖區(qū)描述符表中存儲(chǔ)RX和TX數(shù)據(jù)包。緩沖區(qū)描述符包括大多緩沖區(qū)描述符狀態(tài)和控制標(biāo)志、接收或發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)長(zhǎng)度以及與接收或傳送操作相關(guān)的緩沖區(qū)指針。

當(dāng)諸如以太網(wǎng)這樣的高速接口試圖連接到UART或SPI等低速接口時(shí)，必須采用流量控制協(xié)議作為速度適配器。以太網(wǎng)沒(méi)有流量控制功能，這點(diǎn)與TCP/IP不同。UART具有軟件和硬件流量控制功能。

當(dāng)應(yīng)用需要進(jìn)行持續(xù)數(shù)據(jù)傳送時(shí)，若串口橋應(yīng)用沒(méi)能以同一速率對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，則數(shù)據(jù)會(huì)迅速填滿UART的軟件緩沖器。確定工作波特率和UART緩沖區(qū)大小時(shí)需格外小心，因?yàn)楫?dāng)使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)時(shí)，這兩個(gè)因素會(huì)影響到運(yùn)行任務(wù)的實(shí)現(xiàn)及其優(yōu)先級(jí)。

SPI通信沒(méi)有流量控制。不應(yīng)改變其軟件驅(qū)動(dòng)器以在通信中增加額外的頭文件。應(yīng)在應(yīng)用層通過(guò)采用響應(yīng)或其它定制流量控制協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)流量控制。

借助流量控制協(xié)議可以輕松中止通訊。但若頻繁發(fā)生這種中止情況，通信性能將會(huì)降低，特別是對(duì)諸如UART和SPI等串口協(xié)議來(lái)說(shuō)?？梢酝ㄟ^(guò)UART或SPI硬件緩沖區(qū)(通常1～4字節(jié)長(zhǎng))解決該性能問(wèn)題。為盡可能減少延誤，采用中斷來(lái)通知應(yīng)用橋何時(shí)可以發(fā)送字符。

但是，向UART硬件緩沖區(qū)要求可用空間的中斷請(qǐng)求和緩沖區(qū)相應(yīng)該請(qǐng)求之間的延遲必須予以考慮。通過(guò)在橋應(yīng)用和UART控制器間加入軟件緩沖區(qū)可縮短該延遲。采用這種方式，應(yīng)用橋可填充軟件緩沖區(qū)，而UART ISR(中斷服務(wù)程序)可逐字符地取走數(shù)據(jù)，直至軟件緩沖區(qū)被清空。該技術(shù)減少了流量控制中止通信的次數(shù)，提升了整體性能。對(duì)UART接收來(lái)說(shuō)，軟件緩沖區(qū)對(duì)存儲(chǔ)所有可以接收到的字符來(lái)說(shuō)很重要。

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包由數(shù)據(jù)和協(xié)議報(bào)頭組成。對(duì)串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)橋應(yīng)用而言，有效的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包是通過(guò)在數(shù)據(jù)部分使用可能多的字節(jié)數(shù)組成。這將抵消所需報(bào)頭部分帶來(lái)的開(kāi)銷(xiāo)。

應(yīng)用層(串口橋)通過(guò)使用FIFO等軟件緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)排列和解排列解決了該問(wèn)題。可采用獨(dú)立的串口接收(Rx)和發(fā)送(TX)緩沖區(qū)來(lái)存儲(chǔ)應(yīng)用無(wú)法一次處理的所有信息。

本文小結(jié) 　　

許多設(shè)備內(nèi)基于串行的接口(RS-232、RS-485和SPI)無(wú)法提供類(lèi)似以太網(wǎng)協(xié)議所實(shí)現(xiàn)的更強(qiáng)的連接能力。串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)橋是解決該問(wèn)題的一個(gè)具成本效益的方案。在設(shè)計(jì)這種轉(zhuǎn)換橋時(shí)，必須把結(jié)構(gòu)和分層軟件與具成本效益的硬件結(jié)合起來(lái)以滿足應(yīng)用對(duì)功能的要求。我們采用Free-RTOS、LightweightIP(以太網(wǎng)-TCP/IP棧)和飛思卡爾的MCF51CN128嵌入式控制器為簡(jiǎn)單串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)橋構(gòu)建了一個(gè)參考設(shè)計(jì)。