基于SC28L198的多串口服务器设计

目前工业领域中有大量的设备不具备以太网接口，但这些设备都提供RS－232串口或RS－422/485串口。RS－232只能提供近距离数据传输，且速度不高。RS－422/485虽然能提供远距离数据传输，但却是独立于Internet之外，不便于网络管理。而以太网有传输速度快，传输距离远，能够为任何一台联网的计算机提供监控和数据存取服务。为使传统串口设备能够方便、快捷地接入互联网，笔者以ARM7处理器LM8962和串口扩展芯片SC28L198为核心构建嵌入式系统（串口服务器），完成以太网数据与串行口数据之间的相互转换。一方面，LM8962将SC28L198发送过来的串口数据打包成以太网数据帧，并通过自身的以太网控制器发往主机；另一方面，LM8962将收到的以太网数据解包，分离出数据和相应的串口设备号，然后通过SC28L198的相应通道发往串口设备。笔者简化了复杂的硬件电路设计，能够实现低成本、高速度的单芯片多串口扩展方案。采用该方案，能够将串口设备虚拟成计算机的一个COM接口，用户对串口设备进行远程 *** 作无需考虑数据传输的复杂性。

　　1 串口服务器硬件结构

　　该系统选用TI公司生产的ARM芯片LM8962作为主控MCU以及选用Phillips公司生产的芯片SC28L198作为8通道UART控制器。

　　该系统的主要功能是完成TCP/IP协议与串口通信协议之间的相互转换。

　　主控制器LM8962是由LuminaryMicro公司开发的一款基于ARMCortex－M3MCU内核的32位微处理器。该处理器支持的最大主频为50MHz，具有嵌入式Flash和SRAM、运动控制PWM等内部模块。LM8962内部集成了以太网控制器，结合了Bosch控制器局域网技术和10/100以太网媒体访问控制（MAC）以及物理（PHY）层，简化了该系统以太网连接的硬件电路设计。该微控制器使用了兼容ARMThumb?的Thumb2指令集来减少存储容量的需求，并以此达到降低成本的目的。系统的硬件结构如图1所示。

图1硬件结构图

　　UART器件SC28L198提供了8路相互独立的全双工异步通道，每路UART通过同步总线接口与主机进行通信。每个通道的接收器和发送器均具有16个字符的FIFO，最大限度地减少了接收器超时的情况，使用用户定义的Xon/Xoff字符可实现自动带内流量控制，在唤醒模式下可进行地址识别。SC28L198同时还包括以下功能模块：

　　2 串口扩展电路

　　图2描述了具有8通道的串口联网服务器的电路连接框图。串口服务器的硬件由两个主要芯片和其他外围电路组成。在SC28L198的管脚中，CEN、W_RN、IACKN、DACKN、IRQN、SCLK管脚控制着主机外部与内部数据总线与SC28L198之间的数据传输，管脚A7～A0为SC28L198与ARM相连的地址总线，D7～D0为SC28L198与ARM传输数据的数据总线。

图2电路连接框图

 

波特率发生器工作在振荡器或外部X1/CCLK时钟输入下，可以产生22个50.0～230.4k范围内的常用数据通信波特率。通常使用的外部晶振频率为3.6864MHz和7.3728MHz，在7.3728MHz工作频率下产生的波特率是3.6864MHz下产生的两倍。每个接收器和发送器可以工作在不同的波特率下，通过向波特率选择寄存器写入不同的选择代码将产生不同的波特率。

　　SC28L198的系统时钟（SCLK）可同时作为主机接口和其他内部电路的基本时间基准。为了确保内部控制器的正确 *** 作，提供的SCLK频率必须大于X1晶体时钟的2倍或任何外部的1X数据时钟输入。由于LM8962芯片本身没有提供时钟信号输出引脚，若由定时器中断产生7.3728MHz以上频率的方波信号将使LM8962频繁处理中断程序，影响程序执行效率。当SC28L198工作在50MHz频率下，其中的PWM硬件模块最高可以产生25MHz输出，且不产生任何中断，因此LM8962将从频繁的查询和处理中断中解脱出来。

　　在该系统中，需根据不同的应用场合使用RS－232收发器或RS－422/485收发器及其外围电路。使用RS－232收发器可以进行近距离全双工通信，使用RS－422/485收发器能够进行远距离数据传输。由于整个系统工作于3.3V电压下，为了匹配TTL电平和RS－232电平或RS－422/485电平，该电路采用MAX3232芯片或MAX3485芯片。

　　LM8962内部集成的以太网控制器包含一个完整的MAC模块和PHY接口器件，简化了硬件电路设计。该以太网控制器完全支持10BASE－T和100BASE－TX标准以及遵守IEEE802.3协议。整个系统连接以太网只需一个隔离变压器，无需外接以太网控制芯片，简化了硬件设计。隔离变压器能够隔离模块地和数字地，从而保证SC28L198能够远离外界的复杂信号。

　　3 软件设计

　　在该系统中，用户可以对串口服务器的配置、状态查询和在计算机（客户端）上通过以太网收发数据进而 *** 作该串口服务器。在客户端上，8个SC28L198的通道被虚拟成8个COM接口。 *** 作这些虚拟COM接口就如同 *** 作计算机上的物理COM接口，因此用户不必知道数据是通过以太网进行传输。实际上，用户 *** 作这些COM接口时，产生的命令和数据将被打包成一帧数据并发往处理器LM8962，然后LM8962将数据通过SC28L198的相应通道发送到设备上。串口服务器使用ARM处理器LM8962作为嵌入式设备的核心器件，在其上运行μC/OS－II *** 作系统来打开、关闭和管理8个串行通道的相应进程。因此，8个串行通道能够同时收发数据而不相互影响。

　　3.1μC/OS－II

　　μC/OS－II是免费开源、专门为嵌入式系统设计的实时 *** 作系统。它包括任务计划、任务管理、时间管理、内存管理、任务间的通信以及其他一些基本功能。在该系统中采用μC/OS－II来实现以下功能：

　　（1）建立一个消息队列来存储串口通道的消息和UDP消息；（2）控制SC28L198收发串口数据；（3）建立一个任务来管理UDP通信，并通过以太网收发数据；（4）建立一个任务来管理串口通道收发任务与UDP通信任务之间的通信。

　　3.2TCP/IP模块

　　TCP/IP协议具有分层结构，能够实现对以太网数据帧进行打包和解包。UDP在TCP/IP的传输层，提供一种不可靠的数据传输服务，但UDP协议相对简单，比起TCP协议更能够提供实时和快速的数据传输。在正常的运行过程中，该TCP/IP程序模块能够从数据队列中获取串口通信的数据并将数据打包至UDP包中，然后将UDP包发送至IP层，最后形成一帧数据。该帧数据将会通过以太网发送到计算机中。与此同时，该程序模块还将从以太网接收到的数据解包出来，将其中的串口通道号和串口数据发送到SC28L198中去。表1描述了收发一帧数据的格式。

表1数据传输格式