基于ARM7的串口服务器的实现

　　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LWIP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Philips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。
   　　2.1TCP/IP协议栈的移植
   　　LWIP是瑞士人AdmaDumkels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LWIP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)LWIP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LWIP之间提供一座桥梁，使LWIP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。LWIP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，LWIP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LWIP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。接收消息的最大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pstNext,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。
   　　2.1.2LWIP初始化设置及底层驱动
   　　LWIP的初始化设置包含在LWIP通信进程的入口函数中，其入口函数LwipEntry的基本结构如下：
   　　Void Lwip Entry(void 3 pvArg)
   　　{
   　　//初始化LW IP,涉及LWIP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LWIP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，最后由(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10ms的发送速度在自发自收程序中收发数据的截图。
   图4TCP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LWIP提供的SOCKETAPI。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LWIP本身需占用一个任务，共需建立49个任务。μC/OS-Ⅱ最多能建立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1000～1015,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LWIP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
   　　文中本服务器是以性能不及ARM9且不能使用Linux的ARM7为主控芯片，但两种开源代码μC/OS-Ⅱ实时操作系统和LWIP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LWIP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。