基於Linux的串口伺服器設計

 隨著互聯網的迅猛發展，在使用計算機進行網路互聯的同時，各種家電設備、儀器儀錶以及工業生產中的數據採集和控制設備也在逐步地走向網路化，以便共享網路資源。所以，在電子設備日趨網路化的今天，利用串口伺服器來實現網路通信具有十分重要的意義。利用基於TCP/IP的串口數據流傳輸的實現來控制管理設備，無需投資大量的人力、物力即可完成對傳統設備的管理、更換或者升級。

　　串口伺服器的功能

　　串口伺服器是一種通信協議轉換器，它設有兩類通信埠：一類是標準的RS232/422/485格式的串列埠，遠程的RTU（遠程終端設備）監控模塊通過串列控制匯流排接入串口伺服器的此類埠；另一類是乙太網口，通過網線將串口伺服器接入區域網的交換機等設備中。

　　串口伺服器在工作中可自動將RS232/422/485格式的串列數據與基於TCP/IP協議的乙太網數據包進行透明轉換。一方面，串口伺服器收到來自某一串列埠的現場數據，將其轉換為TCP/IP格式的數據，通過乙太網口進行網路上傳；另一方面，串口伺服器在區域網中捕獲合法的數據協議包，通過解包來解析出有效的控制信息，通過監控機指定的串列埠將控制命令以串列數據的方式傳送給遠程RTU.

　　硬體平台

　　此系統的硬體平台如圖1所示，它是以AT91RM9200晶元構建的Multibus-CPU開發板。MultiBus-CPU系統是基於AT91RM9200微控制器的智能化多匯流排測控系統，該系統可以建立基於Modbus-RTU匯流排協議的匯流排通信，使系統設備可以無縫地接入到基於Modbus-RTU模式的匯流排系統，以及可靠、實時並準確地完成工業現場的數據採集和信號輸出等功能。系統支持Modbus-RTU協議，同時，系統還支持多種匯流排通信，包括RS485匯流排，工業乙太網（UDP協議），串口RS232通信介面和USB通信介面。

圖1:CPU模塊原理圖。

　　軟體平台

　　本設計採用嵌入式Linux作為操作系統。ARM上的Linux的主要優勢：可擴展的完整操作系統提供了可靠的多任務環境，基於開源模型（GPL），利用多種UNIX和開源應用程序以及用於基於ARM技術的多種設計（包括網路和無線領域）。

　　Modbus協議

　　Modbus協議是應用於電子控制器的一種通信語言。利用這個協議，控制器相互之間以及控制器通過網路（例如乙太網）和其他設備之間進行通信。

　　主流的Modbus協議為標準Modbus協議（Modbus RTU協議）和Modbus TCP協議。標準的Modbus通信協議定義了報文幀的每一位元組，定義了怎樣將數據打包成報文幀以及如何解碼。報文幀包括一個位元組的地址碼，一個位元組的功能碼，數據和兩個位元組的校驗碼。其中，校驗碼採用CRC校驗。

　　Modbus TCP協議是在標準Modbus協議的基礎上進一步發展而來的。它是將Modbus協議嵌入到底層TCP/IP協議中構成的，這樣就在TCP/IP的乙太網上實現了客戶機-伺服器架構的Modbus報文通信。二者的數據幀結構如圖2所示。

圖2:標準Modbus與Modbus_TCP數據幀結構對比。

　　分析Modbus TCP協議和RTU協議，可以非常清楚地看出兩者的主要區別。與Modbus RTU協議相比，Modbus TCP數據幀里已不再有CRC校驗，而這部分校驗的任務是由TCP/IP協議和乙太網的鏈路層來完成的。另外，Modbus TCP較標準的Modbus協議還加入了一個MBAP報文頭，由它來解釋說明Modbus的參數和功能。其他部分兩者可以互相通用。如果TCP協議轉換為RTU協議，那麼，只需要把TCP協議MBAP頭中的"單元標識域"和後續位元組組成一幀，再加上此幀的CRC校驗就可以組成RTU協議，而在串列鏈路上進行發送。如果是RTU協議轉換到TCP協議的話，那麼要根據實際情況組建一個MBAP頭。

　　獲取配置信息GetCONfigValue功能的設計與實現

　　在設計串口伺服器之前，首先要配置相應的設備號並給設備配置相應的串口伺服器IP地址、TCP通信埠號和串口參數等，這些配置信息放在一個txt文件當中。

　　我們設計了一個Configinfo.txt文件，當我們需要向一個設備傳遞信息時，需要首先從文件中讀取配置信息，對相應的串口及工控板的網路進行配置，然後再進行相應的操作。這時，我們在其中用到了兩個自定義函數：GetConfigValue和GetCFGValue.其中GetConfigValue的功能是將Configinfo.txt中的信息配置給串口伺服器，它調用GetCFGValue函數，在Configinfo.txt中尋找相應的配置信息項，並截取相應的配置信息。它們的程序框圖如圖3（a）和3（b）所示。

圖3:GetConfigValue函數程序流程圖（a）和GetCFGValue函數程序流程圖（b）。

　　串口操作函數封裝的設計與實現

　　在對串口進行相應的操作時，首先要打開串口並配置串口的波特率、數據位、停止位和工作模式等。這些關於串口的操作都封裝在一個文件當中，以使結構清晰，方便檢查以及修改或增加更多的操作函數。所進行的包括以下幾種操作。

　　串口的打開和關閉：打開串口時，需要首先判斷串口的類型，然後以一定的方式打開串口並保存原來的串口配置信息，最後對串口進行波特率、數據位、停止位和奇偶校驗位的設置。關閉串口時，需要將原來保存的終端信息恢復，使串口回到打開前的狀態。

　　對串口進行數據讀寫：串口的讀寫操作是串口伺服器最基本的功能，當有數據傳送過來時，需要通過串口發送。寫串口操作會把內存中的數據寫入所指的文件，讀串口操作會把串口送來的數據寫入內存中。分別用writecomport和readcomport來實現。

　　對串口進行設置：需要設置波特率、數據位、停止位和奇偶校驗位。調用定義的封裝函數，來完成這些操作。串口的工作模式通過termios函數的配置來控制。

　　Modbus TCP/RTU相互轉換功能的實現

　　這一步是串口伺服器設計的關鍵，其轉換重點在於CRC校驗和MBPA報頭的變換。在這裡，定義mod2tcp函數來完成Modbus RTU到TCP格式的轉換，定義tcp2mod函數來完成Modbus TCP到RTU格式的數據轉換。例如，來自Modbus主站的TCP協議請求，經串口伺服器轉換成Modbus RTU格式，經485口發送給從站，並將從站相應數據經485介面送入串口伺服器，轉換成Modbus TCP格式信息返回主站（圖4）。

圖4:Modbus TCP/RTU相互轉換示例。

　　程序流程如圖5（a）和5（b）所示。

　　圖5:Modbus RTU 到TCP格式數據轉換程序流程（a）和Modbus TCP 到RTU格式數據轉換程序流程（b）。

　　由此可見，TCP格式位元組數=RTU格式位元組數-2+6,獲取的可用數據均相同，因此其程序實現就不再是難題了。

　　CRC校驗功能

　　CRC即循環冗餘校驗碼，它是數據通信領域中最常用的一種差錯校驗碼。RTU方式時，CRC校驗傳送的全部數據，它忽略信息中單個字元數據的奇偶校驗方法。CRC校驗的關鍵在於數據的匹配，將得到的數據如何正確的套用到CRC校驗當中是其中的關鍵。

　　CRC校驗有既定的規則，其程序實現非常簡單，只需要以下幾步：CRC位元組的初始化；將數據導入進行CRC計算；返回計算出的CRC值。

　　串口伺服器的設計與實現

　　此部分介紹整個程序的main（）函數，它會調用前文介紹的函數來實現串口伺服器功能，故其頭文件中要包含前文所述的各函數文件。程序流程如圖6所示。

　　main（）函數應用Linux C函數編程，其中應尤其注意socket的應用，socket要先建立再bind（）；在信號量中的參數要配置正確；進程的管理方面，要注意進程退出時先退齣子進程，在所有進程都完成之後再關閉socket。　

圖6:串口伺服器main（）函數程序流程圖。

　　問題及解決

　　串口伺服器測試過程中，有時會出現TCP到RTU發送時數據包錯誤，不能正確地將TCP數據轉換為RTU數據。

　　原因在於，測試過程中，Windows下的PC終端向Linux工控板發送數據，但是Windows的實時性並不很好，不能及時地發送數據，有時會出現一次發送兩包數據給串口伺服器的現象；另外，工控板中Linux下的TCP/IP協議剪裁封裝不是很完善，導致其接收處理數據的能力比較差。

　　當多幀數據同時到達時，串口伺服器未能正確將后一幀數據發送出去，而把一幀數據分割到兩幀，導致數據幀錯誤。這就是發生上述數據完全錯誤的原因。這時，需要給串口伺服器添加數據的分幀處理功能，在接收到數據時，先判斷數據幀是否是有效數據幀，確保每次發送的數據都能是完整的一幀，不會出現數據幀錯位，而導致數據的完全錯誤。

　　本文小結

　　本文的目標是在以AT91RM9200晶元構建的Multibus-CPU開發板上實現串口伺服器功能。該串口伺服器應用Modbus相關協議，將傳統的以RS485/232串口通信設備接入工業乙太網，實現上位機和設備之間的信息交互。本串口伺服器程序已經能夠在開發板上正確運行。