基于LW IP的嵌入式串口服务器的设计与实现

　　摘　要　文中提出了一种低成本、高性能的嵌入式串口服务器的硬软件设计方案。该服务器以ARM7芯片LPC2210为控制器， 采用RTL8019以太网控制器处理网络数据， TL16C554异步通信组件处理串口数据。对轻便TCP/ IP协议栈LW IP在μC/OS - Ⅱ实时操作系统中进行了移植， 并对16路串行通道设计了实时多任务方案， 使串口服务器能够以TCP/UDP模式在网口和串口端进行双向232 /485通信。实验证明本服务器能使传输数据实时， 准确。

　　随着数字信息技术和互联网的广泛应用， 以操作系统和Internet为标志的嵌入式系统是后PC时代发展的趋势。工业上广泛应用的232 /485通信接口与Internet相连接， 使得各种传感器， 控制器及其他设备的数据可以大量的在Internet上传输。

　　串口服务器由此而生， 通过扩展多串口， 可以在PC端远程监控、管理各种外设， 或对外设进行系统升级。通常串口服务器采用ARM9 微处理器和带TCP / IP协议栈的付费操作系统， 而文中提出的串口服务器是通过移植LW IP协议栈到代码开源的μC /OS - Ⅱ中实现， 这样不但降低成本， 而且代码的编写更加透明、灵活。

　　1　硬件系统的设计

　　本串口服务器采用Philip s的ARM7 系列芯片LPC2210，网络控制芯片采用RTL8019, 串口采用TL16C554芯片扩展。为得到更广泛的应用， 串口端还扩展485 接口， 通过跳线选择232 /485 方式。系统结构框图， 如图1所示。

图1　系统结构框图

　　2　软件系统的实现

　　串口服务器软件系统包括两部分： TCP / IP协议栈的移植和实时多任务应用程序。μC /OS - Ⅱ在LPC系列ARM中的移植采用周立功公司的方案。

　　2.1　TCP / IP协议栈的移植

　　LW IP是瑞士人Adma Dumkels等开发的源代码开放的精简TCP / IP 协议栈。目的是在于保证TCP协议完整的情况下减少系统资源的需求， 适合于资源较少的嵌入式系统应用。移植LW IP协议栈主要有两部分代码： （1）编写操作系统模拟层相关代码； （2） LW IP接口初始设置及网卡驱动。

　　2.1.1　操作系统模拟层相关代码

　　操作系统模拟层存在的目的主要是在μC /OS - Ⅱ和LW IP之间提供一座桥梁， 使LW IP能与μC /OS - Ⅱ能以相同的规范存在于一个系统中并能相互通信。LW IP有信号量和邮箱两种进程通讯方式， 而μC /OS - Ⅱ也提供这两种进程通讯方式。

　　信号量用来同步任务， 操作函数有sys_new_sem （建立并返回一个新信号量） , sys_ sem _ signal（指定要发送的信号量） , sys_sem_free （指定要释放的信号量） , sys_arch_sem_wait （等待由参数sem指定的信号量并阻塞线程） , 在这些函数体中进行数据结构的初始化并加入μC /OS - Ⅱ中的相关函数便可完成。

　　邮箱用来投递消息， LW IP允许将邮箱实现为一个队列，多条消息投递到这个邮箱。

　　μC /OS - Ⅱ提供了丰富的消息队列函数， 且μC /OS - Ⅱ和LW IP投递到邮箱中的消息均用指针实现。该系统建立了多个邮箱， 邮箱通过单向链表接在一起。接收消息的数量由消息数组决定， 结构图如图2所示。

图2　邮箱数据结构图

　　邮箱建好后用指针P_Mbox指向节点1, 申请新邮箱将节点1和节点2断开， P_Mbox指向节点1的p stNext, 以此类推。回收时P_Mbox的移动方向与申请时相反， 这样不会浪费内存且比较稳定。由以上结构和μC /OS - Ⅱ提供的函数写出邮箱相关函数。

　　除此之外， 还需要编写任务创建函数sys_thread_new和sys_arch_timeouts函数， 由于每个任务都有timeouts链表， sys_arch _timeouts函数返回的sys_timeouts结构保存了timeouts链表的首地址。

　　2.1.2　LW IP初始化设置及底层驱动

　　LW IP的初始化设置包含在LW IP通信进程的入口函数中， 其入口函数LwipEntry的基本结构如下：

　　Void LwipEntry （ void 3 pvArg）

　　{

　　/ /初始化LW IP, 涉及LW IP使用的内存区，PCB （ TCP /UDP）以及OS模拟层各个方面

　　__ilvInitLwip （ ） ;

　　/ /设置LW IP, 包括添加配置网络接口， 建立接受任务等工作

　　__ilvSetLwip （ ） ;

　　/ /在这里建立LW IP 的应用， 服务器支持TCP /UDP方式， 两种方式都建立

　　}

　　底层驱动在服务器每次收发数据中都要调用，这部分代码需要有良好的健壮性和稳定性。整个实现顺序， 如图3所示。

图3　底层程序框架图

　　发送主线首先是以太网初始化函数（ 1）开始，调用链路层发送函数（2）并增加各层协议头， 再调用RTL8019发送函数（9）发送数据。

　　接收主线除初始化以太网外， 需调用链路层初始化函数（3） , （ 3）中调用（ 4）初始化RTL8019。

　　收到的数据先经过函数（8） , 然后通过信号量传送到函数（6） , 由（ 6）调用（ 7）得到数据个数， 由（5）根据以太网帧头携带的上层协议类型判断是交给IP协议还是ARP协议处理。

　　移植完毕， 进行数据收发实验验证。使用TCP传输协议， 由网口虚拟串口软件VSPM通过串口调试工具收发数据， 图4是以10 ms的发送速度在自发自收程序中收发数据的截图。

图4　TCP协议数据传输界面

　　由于COM1和COM2被PC机占用， 故由网口虚拟出来的串口是COM3, 由图4可看出在面向连接的TCP协议下， 高速收发数据不会丢包。

　　2.2　实时多任务方案的设计

　　16个串口分别与网络端口组成16 个双向通道。为使代码灵活、透明， 程序不使用LW IP提供的SOCKET AP I。应用程序把每个双向通道分为发送， 接收， 串口3个任务， 加上LW IP本身需占用一个任务， 共需建立49个任务。μC /OS - Ⅱ多能建立64 个任务， 其中8 个操作系统本身占用，剩56个能满足要求。由VSPM软件把网口模拟成16个串口， 串口服务器侦听的16 个端口分别是1 000～1 015, 如图5所示。

图5　网口虚拟扩展16个串口界面

　　网络端和串口端的数据接收会触发相应的中断。每个双向通道的3个任务各司其职， 网口端接收数据中断后在传输层协议判断信源的端口号，交给相应的接收任务， 处理完后交给串口任务把数据从相应串口发送； 串口接收数据后在中断程序中判断信源的通道号， 把数据交给串口任务，处理完后由发送任务通过网口把数据发送出去。

　　服务器支持TCP /UDP两种传输协议， 下面给出一个通道的TCP传输流程图， UDP部分代码只需在相应任务中调用LW IP给的UDP函数。TCP模式下串口服务器工作在Server模式， PC机工作在Client模式， 流程图， 如图6所示。

图6串口服务器单通道程序流程图

　　3.结论　

　　文中以简单的硬件框架和灵活的软件结构设计了一种低成本串口服务器， 虽然本服务器是以性能不及ARM9且不能使用L inux的ARM7为主控芯片， 但两种开源代码μC /OS - Ⅱ实时操作系统和LW IP协议栈的有效结合避免了高额的软件费用， 而且能满足通信要求。实验证明， 基于LW IP和μC /OS - Ⅱ的串口服务器不仅能实现双向通信，而且传输数据实时、准确， 符合工业应用的要求。

参考文献:

[1]. LPC2210 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/LPC2210_454566.html.
[2]. RTL8019 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RTL8019_1063656.html.
[3]. TL16C554 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TL16C554_650869.html.
[4]. PCB  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PCB+_1201640.html.