CN101621440A - 远程多路串口通讯映射系统 - Google Patents

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Abstract

一种远程多路串口通讯映射系统，包括上位机、以太网以及与多台现场设备连接的串口集线器，上位机与串口集线器通过TCP/IP进行通信，TCP/IP通信的通信数据包括IP首部、TCP首部、自定义协议首部及数据；IP首部及TCP首部由下层的操作系统自动封装，自定义协议首部及数据表示上位机与串口集线器通信的具体部份，自定义协议包括类型字段、目的地址字段和源地址字段；类型字段包括更改网络配、更改串口设置或数据；目的地址字段代表串口集线器中的每一个扩展串口；源地址字段代表串口集线器中的每一个扩展串口，判定串口集线器发来的数据包是由哪个串口发送。本发明不必考虑连接对应关系、软件兼容性良好。

Description

远程多路串口通讯映射系统
(一)技术领域
本发明涉及一种串口通讯控制系统。
(二)背景技术
随着计算机技术的应用及发展，越来越多的仪器设备采用数字式设计，转而由计算机进行控制，为了使其能够与计算机进行通信，已经开发出了各式各样的通信方式，如红外、蓝牙、USB、以太网、CAN总线，并口，串口等等，在一些工业应用场合中，考虑到设计成本、环境要求、可靠性等方面，串口在工业仪器设备中仍时非常常见的一种通信方式。
在串口通信中，RS232/485都是标准，最初都由电子工业协会(EIA)制订并发布。RS232在1962年发布，命名为EIA-232-E，作为工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。RS485是为了弥补RS232的不足而提出，提高传输速率和传输距离，增加多点和双向通信能力，同时增加发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围。一般用于满足PC机与各种仪器设备的低速率的数据通信。通信的主导方PC机被称为上位机，仪器设备称为下位机。
以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。该标准定义了在局域网(LAN)中采用的电缆类型和信号处理方法。以太网在互联设备之间以10～100Mbps的速率传送信息包，双绞线电缆100Base T以太网由于其低成本、高可靠性以及100Mbps的速率而成为应用最为广泛的以太网技术。通过以太网可以很容易地接入Internet。
现有的技术存在的缺陷：考虑到现在有很多的仪器设备都是采用RS232、RS485等形式的串口作为数据的通信接口，当现场有很多仪器设备时，串口与上位机之间的连接就存在不便之处。而单单使用现有的串口集线器则存在与现存软件不能很好兼容的问题。
(三)发明内容
为了克服已有串口通信方法的当现场仪器设备很多时串口与上位机的连接不方便、串口集线器的软件兼容性差的不足，本发明提供了一种不必考虑连接对应关系、软件兼容性良好的远程多路串口通讯映射系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种远程多路串口通讯映射系统，包括上位机、以太网以及与多台现场设备连接的串口集线器，所述上位机与串口集线器通过TCP/IP进行通信，所述上位机包括虚拟驱动模块和参数配置模块，所述参数配置模块包括网络配置单元和串口配置单元，所述串口集线器包括处理器模块、以太网接口模块、串口模块和电源模块，所述处理器模块包括：以太网通信模块，用以通过对以太网控制芯片的操作，接收来自以太网的数据，并将其存入以太网接收缓冲区，或将以太网发送缓冲区的数据发送到以太网上；串口通信模块，用以侦听来自多串口发来的数据，并将之缓存到串口接收缓冲区，同时读取串口发送缓冲区的数据到相应的串口中；数据转发模块，用以读取以太网接收缓冲区中的数据，进行分析后转发至相应的串口，对串口接收缓冲区中的来自不同串口的数据做上标记，以统一的协议封装后放入以太网发送缓冲区；配置守护程序，用以通过TCP/IP协议，在某端口上建立侦听，接受来自上位机的配置更改请求；
所述TCP/IP通信的通信数据包括IP首部、TCP首部、自定义协议首部及数据；所述IP首部及TCP首部由下层的操作系统自动封装，自定义协议首部及数据表示上位机与串口集线器通信的具体部份，自定义协议包括类型字段、目的地址字段和源地址字段；所述类型字段包括更改网络配、更改串口设置或数据；目的地址字段代表串口集线器中的每一个扩展串口；源地址字段代表串口集线器中的每一个扩展串口，当上位机对串口集线器发来的数据包进行判断，判定此数据包是由哪个串口发送；
以DriverEntry函数作为虚拟驱动程序进行加载，具体包括：
(1)、先分配虚拟串口，被分配的硬件被标识它在虚拟驱动程序的控制之下；
(2)、初始化虚拟驱动程序对象；
(3)、使用IoCreateDevice为每一个它控制的虚拟串口创建一个设备对象，然后初始化设备；
(4)、通过IoCreateSymbolicLink函数使一个虚拟串口可以被Win32子系统看见；
(5)、为虚拟串口设备设置操作例程；
(6)、将设备与中断对象进行绑定；
(7)、重复所述步骤(4)-(6)，直到完成虚拟驱动程序所有的虚拟串口；
(8)、创建网络侦听子线程，开始侦听来自串口集线器的数据包。
进一步，如侦听到串口集线器的数据包，对数据包进行分析，判别区应该由哪个虚拟串口接受数据，之后给该虚拟串口的中断对象发送信号，告知有数据到达，数据存放在缓冲区；
在应用程序中调用虚拟串口提供的操作例程读来完成数据的读取工作。
再进一步，由应用程序调用虚拟串口的操作例程写来完成数据的写操作。
更进一步，所述虚拟驱动程序由管理软件负责动态加载。
本发明的有益效果主要表现在：1、不必考虑连接对应关系、软件兼容性良好；2、使串口集线器充当一个数据中转站，并通过虚拟技术将多路串口映射到上位机，完成远端的串口本地化。实现对上位机本地的虚拟串口的数据通信操作也即是对远端串口集线器上的串口的数据通信操作。从面，使得原有的对本地串口编写的通信程序可以不用修改地正常运行。
(四)附图说明
图1是硬件系统结构图。
图2是串口映射关系图。
图3是串口集线器软件框架。
图4是TCP/IP协议数据包。
图5是虚拟驱动流程图。
(五)具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1-图5，一种远程多路串口通讯映射系统，包括上位机、以太网以及与多台现场设备连接的串口集线器，所述上位机与串口集线器通过TCP/IP进行通信，所述上位机包括虚拟驱动模块和参数配置模块，所述参数配置模块包括网络配置单元和串口配置单元，所述串口集线器包括处理器模块、以太网接口模块、串口模块和电源模块，所述处理器模块包括：以太网通信模块，用以通过对以太网控制芯片的操作，接收来自以太网的数据，并将其存入以太网接收缓冲区；或将以太网发送缓冲区的数据发送到以太网上；串口通信模块，用以侦听来自多串口发来的数据，并将之缓存到串口接收缓冲区；同时读取串口发送缓冲区的数据到相应的串口中；数据转发模块，用以读取以太网接收缓冲区中的数据，进行分析后转发至相应的串口；对串口接收缓冲区中的来自不同串口的数据做上标记，以统一的协议封装后放入以太网发送缓冲区；配置守护程序，用以通过TCP/IP协议，在某端口上建立侦听，接受来自上位机的配置更改请求；
所述TCP/IP通信的通信数据包括IP首部、TCP首部、自定义协议首部及数据；所述IP首部及TCP首部由下层的操作系统自动封装，自定义协议首部及数据表示上位机与串口集线器通信的具体部份，自定义协议包括类型字段、目的地址字段和源地址字段；所述类型字段包括更改网络配、更改串口设置或数据；目的地址字段代表串口集线器中的每一个扩展串口；源地址字段代表串口集线器中的每一个扩展串口，当上位机对串口集线器发来的数据包进行判断，判定此数据包是由哪个串口发送；
以DriverEntry函数作为虚拟驱动程序进行加载，具体包括：
(1)、先分配虚拟串口，被分配的硬件被标识它在虚拟驱动程序的控制之下；
(2)、初始化虚拟驱动程序对象；
(3)、使用IoCreateDevice为每一个它控制的虚拟串口创建一个设备对象，然后初始化设备；
(4)、通过IoCreateSymbolicLink函数使一个虚拟串口可以被Win32子系统看见；
(5)、为虚拟串口设备设置操作例程；
(6)、将设备与中断对象进行绑定；
(7)、重复所述步骤(4)-(6)，直到完成虚拟驱动程序所有的虚拟串口；
(8)、创建网络侦听子线程，开始侦听来自串口集线器的数据包。
本实施例的上位机作为数据通信的控制方，是以Linux或微软公司的Windows系列为操作系统平台的微机，其上配置10/100M的以太网卡以便与串口集线器进行数据通信，所采用的协议为TCP/IP协议，上位机可以与串口集线器在同一个局域网，也可以是相距千里的Internet内。上位机通过对在串口集线器上的串口进行虚拟映射，从而在本机上虚拟映射出与串口集线器的多个串口一一对应的串口，此后，上位机与串口集线器所接多个仪器设备进行数据通信就如同通过自身的多串口与设备进行通信一样。在上位机的原有对串口操作的应用程序即可以不用修改而正常运行，同时开发的新应用程序也可以降低复杂度。
上位机上所需实现包括：虚拟串口在操作系统平台下的驱动程序以及相应的对串口集线器进行配置的管理软件。
(1)虚拟驱动程序：作为本发明的核心部分，虚拟驱动程序使得在串口集线器上的远端串口虚拟成上位机的一部分成为可能，在整个系统中起到了至关紧要的作用。在上位机的Windows或Linux操作系统中，通过安装此驱动程序，即可以在系统建立起虚拟串口的方法，此后通过管理软件与远端的串口集线器建立起连接就可以真正在上位机上虚拟映射出串口。
(2)管理软件：通过它完成对远端串口集线器的参数进行配置，包括网络配置(IP、网关、DNS服务器等)、串口配置(波特率、数据位、停止位、奇偶校验位等)。对网络的配置必须在同一个局域网内，因为网络配置时，上位机不一定清楚串口集线器的IP地址，采用的是上位机广播，串口集线器答应的方式，而广播只能在同一个局域网内传播。
串口集线器作为整个远程多路串口通讯映射器的主要设备，通过它来实现上位机与下端仪器设备之间的数据的协议转换，上位机通过TCP/IP协议与串口集线器进行数据通信，仪器设备通过串口与串口集线器进行数据通信，串口集线器起到了一个数据中转的作用。同时它提供对上位机上虚拟串品的驱动程序的支持。
串口集线器采用嵌入式系统，以嵌入式处理器为核心，其硬件模块包括如下：
(1)处理器模块：串口集线器作为一个小型的嵌入式系统，其处理器的性能不一定要像微机中处理器一样强大，只要能够满足处理所需完成的功能即可，同时保持一定的系统扩展功能，本发明可以采用ARM7处理器或相当性能的处理器，在处理器模块中，同时还有包含了必需的存储器，它们通过处理器的数据总线及地址总线与处理器相连，包括一块32MB的闪存及一块32MB的动态内存。闪存用于存放uclinux操作系统的映像，动态内存用于操作系统及应用程序的运行。
(2)以太网接口模块：作为与以太网通信的重要模块，采用了一块Realtek公司生产的型号为RTL8019的10M以太网控制芯片，通过它进行TCP/IP协议数据的接收与发送。其通过处理器的数据总线、地址总线及中断与处理器进行连接。其内部实现了协议的数据链路层，其余部分在uclinux操作系统中实现。
(3)串口模块：作为串口集线器，其共扩展了9个串口，其中一个由处理的UART接口独立接出，用于console口，作为系统开发调试之用，其余8个采用芯片扩展，全部用做仪器设备通信接口，选用的扩展芯片为两片TI公司的并串口转换芯片16C554。16C554本身为1个并口转4个串口，其连接到处理器的总线上，转换靠总线地址的不同来选通。每个串口本身收、发缓冲区各有16个byte的FIFO，这样大大减轻了因串口发送中断带来的资源消耗，通过编程我们甚至可以使每发送或接收一组数据才到来一次中断。
(4)电源模块：对整个嵌入式系统的供电采用电池与220V交流电源相结合的方式。因此，为了使电池在交流电断电的情况下能够对设备较长时间的交电，所有的元器件采用最小的封装形式，集成电路采用体积小的表贴封装，电阻及电容除少数外采用贴片形式。
软件模块包括：
(1)以太网通信模块：通过对以太网控制芯片的操作，接收来自以太网的数据，并将其存入以太网接收缓冲区；或将以太网发送缓冲区的数据发送到以太网上。
(2)串口通信模块：负责侦听来自多串口发来的数据，并将之缓存到串口接收缓冲区；同时读取串口发送缓冲区的数据到相应的串口中。
(3)数据转发模块：读取以太网接收缓冲区中的数据，进行分析后转发至相应的串口；对串口接收缓冲区中的来自不同串口的数据做上标记，以统一的协议封装后放入以太网发送缓冲区
(4)配置守护程序：通过TCP/IP协议，在某端口上建立侦听，接受来自上位机的配置更改请求。
本实施例的硬件系统结构参见图1，其展示了整个系统的连接方式及连接所采用的通信方式。
图2展示的是当系统正常运行时串口从串口集线器被映射到本地上位机上的映射关系图。
图3是串口集线器中各个功能模块之间的关系图。
另外特别详细说明重要的两个部分的实现：
基于TCP/IP的上层通信协议：由于上位机与串口集线器是通过TCP/IP进行通信，因此需要在TCP/IP的基础上完成自身所需的通信规范，即自定义的通信协议。通过这个协议可以知道上位机对串口集线器的具体操作，也可以知道上位机对串口集线器发送过来的数据如何处理等等。
整个通信数据包由IP首部、TCP首部、自定义协议首部及数据组成，参见图4，IP首部及TCP首部由下层的操作系统进行自动封装，自定义协议首部及数据实现了上位机与串口集线器通信的具体部份，自定义协议包括：
类型字段：2个字节，分别为
0x0010——更改网络配置(只由上位机发送)；
0x0020——更改串口设置(只由上位机发送)，包括波特率、数据位、奇偶校验等；
0x0030——数据，表明此数据包的数据是发往某串口的，串口由目的地字段指出。
目的地址字段：1个字节，0x01～0x08分别代表串口集线器中的每一个扩展串口，若此字段为0xFF，则表示将数据发送到所有的串口。串口集线器接收到数据包时据此转发。而上位机接收到数据包时忽略此字段。
源地址字段：1个字节，0x01～0x08分别代表串口集线器中的每一个扩展串口，此字段用于上位机对串口集线器发来的数据包进行判断，判定此数据包是由哪个串口发送。
虚拟驱动程序流程：在Windows操作系统下开发的驱动程序，其都是以DriverEntry函数作为驱动程序被加载进操作系统的，在DriverEntry函数中总完成如下几个步骤(参见图5)：
第一步分配虚拟串口(即远端串口)，被分配的硬件被标识它在本驱动程序的控制之下。
第二步初始化驱动程序对象。
第三步使用IoCreateDevice为每一个它控制的虚拟串口创建一个设备对象，然后初始化设备。
第四步通过IoCreateSymbolicLink函数使一个虚拟串口可以被Win32子系统看见。
第五步为虚拟串口设备设置操作例程，包括打开、关闭、读、写等。
第六步将设备与中断对象进行绑定。
第七步重复第4步到第6步，直到完成驱动程序所有的虚拟串口。
第八步创建网络侦听子线程
第九步如果成功，DriverEntry返回STATUS SUCCESS给I/O管理器。
完成如上工作之后，在Windows上即把在远端的串口集线器上的串口映射到了本地计算机上了。同时由驱动程序创建的网络侦听子线程开始侦听来自串口集线器的数据包，并对数据包进行分析，判别区应该由哪个虚拟串口接受数据，之后给该虚拟串口的中断对象发送信号，告知有数据到达，数据存放在缓冲区。接下来的工作则是由使用串口进行通信的应用程序来完成，在应用程序中调用虚拟串口提供的操作例程读来完成数据的读取工作。
对于写操作，也是由应用程序调用虚拟串口的操作例程写来完成。
需要说明，虚拟驱动程序由管理软件负责动态加载，因为考虑到可能平时会对配置有所改动，使用动态加载更加灵活。

Claims (4)

1、一种远程多路串口通讯映射系统，包括上位机、以太网以及与多台现场设备连接的串口集线器，所述上位机与串口集线器通过TCP/IP进行通信，所述上位机包括虚拟驱动模块和参数配置模块，所述参数配置模块包括网络配置单元和串口配置单元，所述串口集线器包括处理器模块、以太网接口模块、串口模块和电源模块，所述处理器模块包括：
以太网通信模块，用以通过对以太网控制芯片的操作，接收来自以太网的数据，并将其存入以太网接收缓冲区；或将以太网发送缓冲区的数据发送到以太网上；
串口通信模块，用以侦听来自多串口发来的数据，并将之缓存到串口接收缓冲区；同时读取串口发送缓冲区的数据到相应的串口中；
数据转发模块，用以读取以太网接收缓冲区中的数据，进行分析后转发至相应的串口；对串口接收缓冲区中的来自不同串口的数据做上标记，以统一的协议封装后放入以太网发送缓冲区；
配置守护程序，用以通过TCP/IP协议，在某端口上建立侦听，接受来自上位机的配置更改请求；
其特征在于：所述TCP/IP通信的通信数据包括IP首部、TCP首部、自定义协议首部及数据；所述IP首部及TCP首部由下层的操作系统自动封装，自定义协议首部及数据表示上位机与串口集线器通信的具体部份，自定义协议包括类型字段、目的地址字段和源地址字段；所述类型字段包括更改网络配、更改串口设置或数据；目的地址字段代表串口集线器中的每一个扩展串口；源地址字段代表串口集线器中的每一个扩展串口，当上位机对串口集线器发来的数据包进行判断，判定此数据包是由哪个串口发送；
以DriverEntry函数作为虚拟驱动程序进行加载，具体包括：
(1)、先分配虚拟串口，被分配的硬件被标识它在虚拟驱动程序的控制之下；
(2)、初始化虚拟驱动程序对象；
(3)、使用IoCreateDevice为每一个它控制的虚拟串口创建一个设备对象，然后初始化设备；
(4)、通过IoCreateSymbolicLink函数使一个虚拟串口可以被Win32子系统看见；
(5)、为虚拟串口设备设置操作例程；
(6)、将设备与中断对象进行绑定；
(7)、重复所述步骤(4)-(6)，直到完成虚拟驱动程序所有的虚拟串口；
(8)、创建网络侦听子线程，开始侦听来自串口集线器的数据包。
2、如权利要求1所述的远程多路串口通讯映射系统，其特征在于：如侦听到串口集线器的数据包，对数据包进行分析，判别区应该由哪个虚拟串口接受数据，之后给该虚拟串口的中断对象发送信号，告知有数据到达，数据存放在缓冲区。；
在应用程序中调用虚拟串口提供的操作例程读来完成数据的读取工作。
3、如权利要求2所述的远程多路串口通讯映射系统，其特征在于：由应用程序调用虚拟串口的操作例程写来完成数据的写操作。
4、如权利要求1-3之一所述远程多路串口通讯映射系统，其特征在于：所述虚拟驱动程序由管理软件负责动态加载。
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