串口服务器设计指南

傷城~ 2022-07-16 09:20 133阅读 0赞

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图0：串口服务器 - 系统信息

### 0. 前言 ###

串口服务器是一种将串口数据转换为网口数据的设备，它在工业方面使用较多。这类设备需要非常高的稳定性，但是稳定性跟设计人员的硬件水平、软件水平以及测试等关系密切，这个范围太大，这里只是谈串口服务器软件如何设计。

### 1. 核心数据结构设计 ###

1.1 串口数据结构

*  串口参数：波特率、流控制、接口方式等
 *  操作模式：TCP服务器、UDP服务器等
 *  协议类型：Modbus TCP转Modbus RTC、自定义协议等
 *  与串口打包有关：打包时间、打包长度、分隔符
 *  串口运行信息：发送和接收字节数、缓冲区溢出次数等
 *  与底层串口发送和接收相关数据结构
 *  环形队列控制数据结构和环形队列缓冲区

1.2 网口数据结构

*  IP类型：静态获取和动态获取
 *  IP地址
 *  子网掩码
 *  网关地址

### 2.参数存储设计 ###

串口数据结构中，串口参数、操作模式、协议类型以及与串口打包有关的数据需要存储在非易失性存储器中；  
网口数据结构需要存储在非易失性存储器中。  
在设计参数存储程序时，应考虑易扩展性。因为将来串口的个数可能会比当前设计的个数增加，新增加的串口，不应该再去考虑参数存储的事情。

### 3.数据缓冲区设计 ###

串口接收的数据和网口接收的数据应该分别存储，环形队列这种数据结构能很好的满足我们的需求。它用两个指针分别管理读和写入口，一般写队列的优先级都会大于或等于读队列优先级，这样就可以不用设置临界区。  
在我们这个应用中，环形队列每次写入和读出的数据都不一定相同，所以我们需要改造通用的环形队列实现方法，将每一帧的长度字段和数据一起存入到环形队列中去。

### 4.数据打包策略 ###

数据打包一般只针对串口，这是因为串口在硬件层面上是不支持"数据帧"的，它是一个字节一个字节发送和接收（即使有FIFO，但通常不会超过16字节）。网口与串口不同，它会将数据打包，在一包数据前面和后面各增加一些位形成数据帧，可以说网口硬件已经将数据打包好了，串口没有这种硬件功能，需要软件打包。  
一般可以根据设置的参数来打包，比如根据打包时间参数、打包长度参数、分隔符等等。如果没有使能这些参数，或者打包时间参数和打包长度参数设置为0，就需要程序默认一个打包时间。  
打包时间这个参数很容易被误解，它并不是说这个时间内的数据打成一包数据，而是当接收一个字节数据之后，超过打包时间也没有接收到下一个字节数据，我们就会把这之前接收的数据打包。  
打包长度这个参数是指接收到的数据个数等于打包长度时，这些数据打成一包。需要注意的是程序中隐藏着另外一个固定的打包长度，并且这个打包长度优先级最高，只要接收到的数据长度等于这个打包长度，会忽略掉其它所有打包参数，立刻将数据打包。这个隐含打包长度就是串口接收缓冲区长度。  
分隔符可以有1个也可以有多个，当接收的数据流中包含了分隔符后，数据立刻被打包，它会忽略打包时间参数。

如果支持软件协议，要根据软件协议规定的打包策略执行。

### 5.协议 ###

添加自定义协议层，可以实现数据过滤、更详细的数据统计功能等等；可以将串口服务器用作Modbus网关，用于将Modbus TCP转换成Modbus RTU；可以实现其它协议转换。

### 6.IP发现 ###

如果隔个半年，还得让你记得某个串口服务器的IP地址，那么这样的产品是相当没有人性化设计的。所以我们必须设计一种功能，通过一个上位机软件，去发现当前局域网下的所有串口服务器IP地址、MAC地址等信息。这一功能，叫做IP发现。  
一般是利用UDP广播功能，向特定端口发送一个特定数据包，串口服务器收到数据包后，将自己的IP地址等信息上传给上位机。图6-1显示上位机软件获取到的一个串口服务器信息。

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图6-1：IP发现示意图

### 7.网页服务器 ###

主要用来修改参数和显示统计信息。需要注意的是要具有非法参数检查功能。图0、图7-1和图7-2显示了部分网页服务器一般内容。

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图7-1：网络设置

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图7-2：串口设置

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