基于樹莓派的多串口多總線服務(wù)器設(shè)計(jì)

引言

工業(yè)控制中，各設(shè)備的信號采集和監(jiān)控只靠串口總線難以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展，要將現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)相連，就需要解決串口通信協(xié)議和因特網(wǎng)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換問題，即把原有設(shè)備轉(zhuǎn)換為具備網(wǎng)絡(luò)接口的外設(shè)，這樣可以將傳統(tǒng)串行鏈路上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔⒕W(wǎng)絡(luò)上，而無需更換原有設(shè)備。如此，可以提高原有設(shè)備利用率、增加多終端連接數(shù)、節(jié)約成本、簡化布線的復(fù)雜度及延長通信距離。

近年來，因信息化和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的需要，串口服務(wù)器大量涌現(xiàn)，它們不占用主機(jī)資源，且具有終端服務(wù)器的功能。不過，設(shè)備體積龐大、價(jià)格昂貴、串口不易裁剪或擴(kuò)展、傳輸大量數(shù)據(jù)幀時丟包、參數(shù)配置繁雜等問題也隨之出現(xiàn)。

本設(shè)計(jì)采用的串口服務(wù)器的核心設(shè)備——樹莓派，是一款體積小、價(jià)格便宜但功能非常強(qiáng)大的平臺，可通過多種通信方式接入互聯(lián)網(wǎng)，支持多種完整網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，結(jié)合USB—hub及USB/串口轉(zhuǎn)換器使用，可保證串口服務(wù)器使用方便，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時、準(zhǔn)確、長時間穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。

1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)當(dāng)今工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸需求，應(yīng)具備的技術(shù)指標(biāo)和設(shè)置參數(shù)如下。

1.1 技術(shù)指標(biāo)

①主控芯片：32位700 MHz的ARM1176JZF—S處理器;

②操作系統(tǒng)：Linux;

③支持協(xié)議：TCP/IP、UDP、HTTP、FTP;

④網(wǎng)絡(luò)接口：10/100 Mbps自適應(yīng)以太網(wǎng)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(shù)配置方式：WEB瀏覽器配置;

⑦會話數(shù)：支持多連接，滿足5個以內(nèi)用戶同時管理一個模塊設(shè)備;

⑧工作模式：TCP客戶端、TCP服務(wù)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(shè)置參數(shù)

該設(shè)備選擇WEB瀏覽器設(shè)置方式，內(nèi)置WEB服務(wù)器，用戶可進(jìn)行IP地址、串口通信參數(shù)、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(shù)的設(shè)置。

(1)串口通信參數(shù)

①波特率為2 400～115 200 bps;

②數(shù)據(jù)位為6/7/8/9;

③校驗(yàn)位為None/Even/Odd;

④停止位為1/1.5/2;

⑤成幀長度為1～15000字節(jié);

⑥成幀間隔為30～500位。

其中，成幀長度指每一幀接收數(shù)據(jù)的長度，接收端緩沖區(qū)一旦接收到該長度的數(shù)據(jù)就轉(zhuǎn)發(fā)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(guān)系如下。一旦超時，不管已有數(shù)據(jù)長度是不是達(dá)到成幀長度，接收端緩沖區(qū)就將已有數(shù)據(jù)組幀轉(zhuǎn)發(fā)出去。

(2)工作模式參數(shù)

①單個串口支持會話數(shù)為1～5個，每個會話模式間相互獨(dú)立;

②TCP服務(wù)器模式為綁定端口范圍為1025～65535;

③TCP客戶端模式為需配置目標(biāo)服務(wù)器IP、端口及自動重連時間，其中自動重連時間指網(wǎng)絡(luò)連接中斷或者服務(wù)器異常時，重新發(fā)起主動連接的時間間隔，循環(huán)自動重連直到正常連接上為止;

④UDP廣播模式為需配置本地端口、目標(biāo)服務(wù)器IP和目標(biāo)端口。

2 硬件設(shè)計(jì)

此串口服務(wù)器根據(jù)以上指標(biāo)選用最新的樹莓派、USB—hub及北京世紀(jì)聯(lián)信公司生產(chǎn)的USB/四串口轉(zhuǎn)換器組合而成。

2.1 硬件結(jié)構(gòu)組成

串口服務(wù)器硬件結(jié)構(gòu)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(yīng)以太網(wǎng)接口。一個USB接口通過USB—hub和n(可據(jù)情況選擇，最多時n=4)個USB/串口轉(zhuǎn)換器擴(kuò)展出4n個RS232/RS422/RS455串口，另一個可外接無線USB網(wǎng)卡，從而實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)中有線或無線數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 樹莓派簡介

樹莓派(Raspberry Pi)是一款基于Linux系統(tǒng)的只有一張信用卡大小的單板計(jì)算機(jī)，配備一枚博通生產(chǎn)的700 MHzARM架構(gòu)BCM2835處理器，512 MB內(nèi)存，使用SD卡當(dāng)作存儲介質(zhì)，操作系統(tǒng)采用開源的Linux系統(tǒng)，提供并支持Python作為主要編程語言。

2.3 USB—hub簡介

USB—hub(USB集線器)是一個將多個USB設(shè)備連接到計(jì)算機(jī)上的USB接口或另一個USB集線器上某時候，它們都來自于主板內(nèi)部一個或者兩個主USB接口，而不是相互獨(dú)立的硬件。一個USB接口、一個USB集線器和若干個外圍設(shè)備可以構(gòu)建一個USB網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)選用的USB—hub由一個USB接口擴(kuò)展出4個USB接口。

2.4 USB/串口轉(zhuǎn)換器簡介

USB/串口轉(zhuǎn)換器選用北京世紀(jì)聯(lián)信LENSYS—USB2COM-4模塊。它是一種導(dǎo)軌安裝式串口擴(kuò)展模塊，實(shí)現(xiàn)了用USB口擴(kuò)展4串口的功能，可以通過USB快速擴(kuò)展四個計(jì)算機(jī)串口，通過撥碼開關(guān)設(shè)定RS 232/422/485接口方式，還可以實(shí)現(xiàn)4個RS 232轉(zhuǎn)4個RS422/485的功能。通過該模塊能夠可靠、實(shí)時、便捷地完成工業(yè)現(xiàn)場RS232/485/422信號的傳輸和轉(zhuǎn)換，廣泛應(yīng)用于石油天然氣、水利、電力調(diào)度、市政調(diào)度等行業(yè)。

3 軟件設(shè)計(jì)

此串口服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，客戶端只是WEB瀏覽器，軟件設(shè)計(jì)則主要體現(xiàn)為服務(wù)器端的網(wǎng)頁展現(xiàn)、業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)存儲。

WEB服務(wù)器負(fù)責(zé)串口服務(wù)器通信參數(shù)的手動配置和存儲、通信程序的手動啟停等;應(yīng)用服務(wù)器負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)與串行接口設(shè)備的互通，完成TCP/IP協(xié)議格式的數(shù)據(jù)與串行數(shù)據(jù)間的相互轉(zhuǎn)換;數(shù)據(jù)庫主要包含用戶管理數(shù)據(jù)表、串口參數(shù)配置數(shù)據(jù)表、工作模式配置數(shù)據(jù)表。

下面介紹串口服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)中3個主要任務(wù)：WEB服務(wù)器的設(shè)計(jì)、WEB配置頁面的設(shè)計(jì)和串口聯(lián)網(wǎng)通信程序的設(shè)計(jì)。

3.1 WEB服務(wù)器的設(shè)計(jì)

由于串口數(shù)量較多，所以在樹莓派中植入WEB服務(wù)器，由WEB服務(wù)器將用戶的請求轉(zhuǎn)換為對后臺數(shù)據(jù)的查詢或更新，并將友好的圖形界面在瀏覽器上展示給用戶，實(shí)現(xiàn)簡便統(tǒng)一的遠(yuǎn)程通信參數(shù)配置、設(shè)備管理、用戶管理、監(jiān)控串口服務(wù)器運(yùn)行狀態(tài)。