串口联网服务器的性能与软硬件系统的设计介绍

1. 引言
传统行业中，特别是工业控制领域大量设备采用rs232 或rs485 串口与主机通讯，比如：数控机床、数字水表、数字电表、基于字符界面的串口终端等。串口通讯中距离短、速率低是这一类设备的主要缺点，无法进行集中、远程管理。本项目的研究与开发旨在为工控领域的串行设备接入以太网、互联网提供全面的解决方案。行业用户在不浪费原有设备资源的基础上，通过架设串口联网服务器就可以把原有的串行设备无缝接入以太网、互连网，实现集中控制、远程控制，并能使所有设备共享主机资源，大大节约了人力成本和时间成本，提高了生产率。
2.系统性能
串口服务器是一款数据通讯产品，不仅要求硬件平台性能高、功耗低，而且对稳定性、可靠性要求极高，机器必须7x24 小时连续工作，硬件平台上需要集成看门狗电路，防止系统死锁。结构上要求体积小巧，美观。软件上要求依托成熟稳定的操作系统为平台，定制串口驱动、网络驱动，改造硬件中断优先级，提高系统的实时性。系统软件平台需要同时支持tcp/ip、ftp、telnet、http 协议。上层应用核心是串口服务及网络服务程序，需要设计完善的进程通讯机制，实现串口数据到网络数据之间的转发，要求各串口独立工作，互不干涉，每个串口工作在115.2kbps 速率下不需要流量控制。用户要求能够通过本地端口、网络、web 等方式对串口服务器进行参数配置，能够通过集中管理软件监控机器运行状态，并能对核心代码进行升级，要求维护、安装方便。
3. 硬件设计
为提升性能，在实际设计过程中我们需要完全控制串口和网络的底层信号，提高整个系统的实时性，我们选用了性价比更高一点的x86 兼容平台rdc 公司的r8610，主频柯达150mhz，另外，此平台下编程及汇编比较容易上手，可以加快产品的上市周期，硬件平台的主要性能指标如下表：
硬件结构框图如下：
图1 硬件平台结构框图
4. 软件设计
4.1 内核定制与驱动设计
操作系统选择uclinux，uclinux 在工业控制领域性能卓越。由于其代码精炼，系统消耗小，效率更高。设计过程中，我们将ucliux 进行了彻底的定制，只保留了与r8610 相关的代码，集成文件系统、任务调度、进程管理和tcp/ip 模块，整个核心代码控制在500k 以下，运行效果相当稳定。
驱动程序设计上，我们重点实现winbond 83977 串口扩展芯片的驱动，在linux 核心代码8250.c 的基础上设计我们自己的驱动，针对串口扩展芯片特性设计了硬件缓冲中断机制，当硬件缓冲到达设置参数（fifo_size_1、fifo_size_4、fifo_size_8）规定的字节数，或者判断没有后续字节到达时发出中断，这样可以大大提高串口数据读写效率。网络驱动针对dm9008芯片特性定制，充分发挥dm9008 全双工属性，提高网络数据交换效率。
4.2 应用服务程序设计
核心应用程序基于uclinux 操作系统设计，主要设计了两线程，串口服务线程和网络服务线程，这两种线程是成对出现的，彼此之间通过两个队列serial_queue和tcpsrv_queue 完成数据共享与交换，主要工作流程如下：
（1）串口线程tcp_ser_proc（）侦听串口，接收数据，然后发送到tcpsrv_queue 队列的数据链上；同时监测serial_queue 队列，如果有数据则发送到对应的本地串口。
（2）网络线程tcp_srv_proc（）侦听网络连接请求，建立连接，接收网络数据，完成解包，最后发送到serial_queue 队列上；同时监测serial_queue 队列，如果有数据则发送到tcp/ip 远端控制节点。
图2 软件系统架构图
5.系统测试
使用传统串口字符终端，与串口服务器通过串口连接，后台linux 系统与串口服务器通过网络连接，服务器中设置远端主机为linux 系统的ip 地址，当串口服务器开机的时候直接通过telnet 协议连到linux 系统上，串口终端就能够出现login 登录画面，如同串口终端直接连到网络上一样，可运行服务器上的后台应用；服务器上的程序也可以直接对串口操作。系统测试性能良好。
6. 结论
本文设计的串口联网服务器，具有操作维护方便、可靠性高、性能稳定等优点，能够将工业控制领域、金融领域等大量使用的串口设备直接连到网络，可有效通过管理程序对设备进行远程、集中管理，提升了设备适应网络的能力，具有很好的市场前景。