CN102937944B - 一种基于Arcnet串口服务器 - Google Patents
一种基于Arcnet串口服务器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种Arcnet串口服务器，包括CPU、Arcnet协议芯片、串口协议芯片、console接口和电平转换电路，其中CPU分别与Arcnet协议芯片、串口协议芯片和console接口相连；电平转换电路与串口协议芯片相连；本发明还提供了Arcnet数据和串口数据之间的转换方法，同时还提供了一种基于Arcnet串口服务器的通信系统，本发明采用了简单的协议，降低了串口扩展的开发难度，提高了服务器的处理性能。
Description
技术领域
本发明涉及串口通信及协议转换技术领域，特别涉及一种Arcnet串口服务器。
背景技术
UART，通用异步串口(以下简称串口)是工业中应用最广泛的一种接口，实现简单，方便快捷，一般单片机、工控机都会集成1-2个串口，很多传感器也都使用串口与上位机进行通信。但是串口对总线的支持并不是很好，在大量使用串口的场合下，就需要一种设备，可以将某种高速总线转换成多个串口，即串口服务器。目前市场上用的比较多的串口服务器采集用以太网转串口的方式，还有部分产品采用USB接口转串口的方式。
对于目前应用较为广泛的以太网串口服务器、USB串口服务器，协议非常复杂，如果自己开发的话一般都用计算机或者高性能32位处理器加嵌入式操作系统来实现。对于一般8位、16位单片机，开发难度大，而且由于协议的开销，处理性能受到很大影响。
发明内容
(一)所要解决的技术问题
本发明通过提供一种Arcnet串口服务器及基于此串口服务器的级联，解决了串口扩展中协议复杂，开发难度大，处理性能差的问题。(二)技术方案
本发明提供了一种Arcnet串口服务器，该串口服务器包括：CPU、Arcnet协议芯片、串口协议芯片、console接口和电平转换电路；
其中所述CPU分别与Arcnet协议芯片、串口协议芯片和console接口相连，用于进行Arcnet协议与串口协议之间的数据转换；
所述Arcnet协议芯片，用于基于Arcnet协议接收和发送Arcnet数据；
所述串口协议芯片，用于接收和发送串口数据；
所述电平转换电路，与串口协议芯片相连，用于对串口数据进行电平信号转换；
所述console接口，用于配置参数；
优选的，该串口服务器还包括ROM，所述ROM与CPU相连，用于存储所配置的参数。
优选的，该串口服务器还包括Arcnet接口，所述Arcnet接口一端与Arcnet协议芯片相连，另一端连接上位机或总线，用于传输数据。
优选的，所述Arcnet数据的数据包包括如下字段：帧头、串口数量、串口号、数据长度、数据和帧尾字段。
优选的，所述console接口为单片机上集成的接口。
本发明还提供了一种将Arcnet数据转换为串口数据的方法，该方法包括：
S1、采用中断方式接收Arcnet数据，并对Arcnet数据进行帧头尾、CRC校验，校验正确后，根据Arcnet数据的数据包内部协议，对Arcnet数据的数据包进行分解，解析出各个串口所需要的数据，放入串口发送缓冲区内；
S2、采用中断方式，判断串口协议芯片是否发送空中断信号，如果是，并且串口发送缓冲区有数据，则进行数据发送；
本发明还提供了一种将串口数据转换为Arcnet数据的方法，该方法包括：
A、采用中断方式接收串口数据，并存入串口接收缓冲区内；
B、采用周期轮循的方式，每个周期开始从第一个使能的串口查询，判断串口接收缓冲区是否有数据，如果有数据，则根据Arcnet数据的数据包内部协议，将数据存放入Arcnet发送数据缓冲区内，然后查询下一个使能的串口，直到查询到最后一个使能串口，将收到的串口数据整体打包，进行发送。
本发明还提供了一种基于Arcnet串口服务器的通信系统，其特征在于，包括Arcnet总线、上位机、多个所述的Arcnet串口服务器，所述多个Arcnet串口服务器并联在Arcnet总线上，所述Arcnet总线连接所述上位机。
优选的，Arcnet总线采用双绞线。
(三)有益效果
1、因为协议也比较简单，采用普通的单片机就可以实现，硬件开发成本、软件开发成本都会大大降低。
2、采用新的串口服务器级联方式，非常适合串口设备比较多、布置位置比较分散的场合。
附图说明
图1为Arcnet串口服务器的主要结构组成图；
图2为Arcnet串口服务器的具体结构示意图；
图3为Arcnet数据的数据包内部协议字段示意图；
图4为Arcnet数据接收流程图；
图5为Arcnet数据发送流程图；
图6为基于Arcnet串口协议的通信系统示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种Arcnet串口服务器，这种服务器可提供一种协议简单的高速通信接口并实现串口的扩展。
如图1所示，Arcnet串口服务器的主要结构包括：CPU、Arcnet协议芯片、串口协议芯片、console接口和电平转换电路；
连接方式为：其中CPU分别与Arcnet协议芯片、串口协议芯片和console接口相连，用于进行Arcnet协议与串口协议之间的数据转换；
所述Arcnet协议芯片，用于基于Arcnet协议接收和发送Arcnet数据；
所述串口协议芯片，用于接收和发送串口数据；
所述电平转换电路，与串口协议芯片相连，用于对串口数据进行电平信号转换；
所述console接口，用于配置参数；
其中该串口服务器还包括ROM，所述ROM与CPU相连，用于存储所配置的参数。
该串口服务器还包括Arcnet接口，所述Arcnet接口一端与Arcnet协议芯片相连，另一端连接上位机或总线，用于传输数据。
所述Arcnet数据的数据包包括如下字段：帧头、串口数量、串口号、数据长度、数据和帧尾字段。
所述console接口为单片机上集成的接口。
Arcnet协议比较简单，采用普通的单片机就可以实现，硬件开发成本、软件开发成本大大降低。
一种将Arcnet数据转换为串口数据的方法，该方法包括：
S1、采用中断方式接收Arcnet数据，并对Arcnet数据进行帧头尾、CRC校验，校验正确后，根据Arcnet协议和串口协议，对Arcnet数据的数据包进行分解，解析出各个串口所需要的数据，放入串口发送缓冲区内；
S2、采用中断方式，判断串口协议芯片是否发送空中断信号，如果判断发送了空中断信号，并且串口发送缓冲区有数据，则进行数据发送；
一种将串口数据转换为Arcnet数据的方法，该方法包括：
A、采用中断方式接收串口数据，并存入串口接收缓冲区内；
B、采用周期轮循的方式，每个周期开始从第一个使能的串口开始查询，判断串口接收缓冲区是否有数据，如果有数据，则根据Arcnet协议和串口协议，读取数据添加头信息并将其放入Arcnet发送数据缓冲区内，然后查询下一个使能的串口，直到查询到最后一个使能串口，将收到的串口数据整体打包，进行发送。
本发明还提供了一种基于Arcnet串口服务器的通信系统，其特征在于，包括Arcnet总线、上位机、多个所述的Arcnet串口服务器，所述多个Arcnet串口服务器并联在Arcnet总线上，所述Arcnet总线连接所述上位机。
该通信系统采用串口服务器级联方式，实现串口的扩展，非常适合串口设备比较多、布置位置比较分散的场合。
优选的，Arcnet总线采用双绞线。
具体的，Arcnet串口服务器的具体结构如图2所示为：
Arcnet串口服务器硬件上主要由CPU、Arcnet协议芯片、串口协议芯片、console接口、ROM、电平转换电路和Arcnet接口组成。
其中CPU分别与Arcnet协议芯片、串口协议芯片、ROM和console接口相连，串口协议芯片与电平转换电路相连，Arcnet协议芯片与Arcnet接口相连。
CPU，因为Arcnet协议是基于链路层的协议，而且协议都已经集成在Arcnet协议芯片内部，采用普通的单片机就可以很好的实现。
Arcnet协议芯片采用SMSC公司的COM20022芯片，最高支持10MBpsArcnet。该芯片采用标准的数据、地址总线，对单片机可以提供很好的支持。
串口协议芯片，目前应用比较多的串口协议芯片是16C554，很多厂家都提供此种芯片。一片16C554可以扩展4个串口，对于16口串口服务器，选择4片相同的芯片。
Console接口，单片机一般都可以提供串口、I2C、SPI等接口，直接使用单片机集成的接口就可以。
ROM，用来保存串口服务器、各个串口等参数，可以选择一般非易失性ROM。
电平转换电路，各个串口需要根据现场的不同需求，配置成RS422、RS485、RS232等接口，利用电平转换电路实现此功能。
Arcnet接口是额外的硬件设施，主要的功能是Arcnet总线物理层的实现，即数据的传输，根据总线物理层的不同可以是RS485、铜轴电缆、光纤等。
Arcnet串口服务器主要就是实现串口与Arcnet接口之间数据的转换，同时需要提供一个接口对串口服务器进行设置。由图2可看出，Arcnet串口服务器对外提供3种通信接口，分别是Arcnet接口、串口、console接口，每种接口功能如下：
(1)Arcnet接口，负责接收上位机或Arcnet总线发送给串口的数据，将串口的数据转发给上位机或Arcnet总线。
(2)串口，用来与串口设备进行通信，根据需求不同，可以扩展成4口、8口、16口等不同接口的串口服务器，串口电平也可以设置成RS482、RS422、RS232等电平。根据目前串口的应用情况，串口波特率最高设置为115200Bps。
(3)console接口，用来配置串口服务器参数、各个串口的参数，此console接口可以根据需求的不同，选择串口、I2C、SPI等多种串行接口。
串口服务器中数据传输依据的协议具体为：
Arcnet串口服务器主要功能是完成协议的转换，协议很大程度上决定了串口服务器的性能。
Arcnet协议：Arcnet是一种令牌式总线协议，每个Arcnet节点有一个唯一的地址，从最小号地址开始循环传输令牌，获得令牌的Arcnet节点才可以发送数据。令牌传输的时间间隔是74us，一次最多传输508字节数据。
数据包外部总的协议不做要求，可以采用任何协议，数据包内部协议中实际内容如图3所示，每个字段的含义如下：
“串口数量”：这一数据包中包含串口数据的实际数量，因为实际应用中，可能不会用到所有的串口，根据此字段计算包的长度。
“串口号”：需要收发数据的串口号，串口服务器从第一串口开始，依次编号为1、2、...16。
“数据长度”：该串口号串口收发数据的长度，数据最长长度设置为24。设置最长长度主要有两个考虑，一是为了保证所有的串口都有平等的机会参与收发数据；另外一方面，考虑Arcnet总线一次最多传输508个字节，每个串口加上“串口数据”、“串口号”两个字段，最多26个字节，如果16个串口全部使用，一次需要传输416个字节，加上一些协议的消耗，可以保证Arcnet总线一次将所有字节发送完毕，提供串口收发的实时性。同时需要根据此字段计算下一个串口数据包的位置。
“数据”：串口服务器传输的实际数据。
“帧头和帧尾”：根据协议的不同，可以选择不同的帧头和帧尾。
基于Arcnet串口服务器的具体的数据传输的软件方法：
CPU实现Arcnet协议与串口协议之间的数据转换功能。一方面，通过Arcnet协议芯片，接收Arcnet总线上的数据，如图3所示对数据进行解析，判断数据是需要通过哪个串口发送出去，然后将数据通过该串口的串口协议芯片发送出去；另外一方面，CPU通过某个串口协议芯片接收来自这个串口上的数据，将数据按图3所示字段进行数据打包，然后将打包后的数据通过Arcnet协议芯片发送出去。
可知软件上主要包含接收Arcnet数据、发送Arcnet数据、接收串口数据、发送串口数据4个流程，每个流程如下：
接收Arcnet数据：采用中断方式，一旦接收到数据立即执行，如图4所示。接收到Arcnet数据，首先进行帧头尾、CRC等校验，校验正确后，根据Arcnet数据的数据包内部协议，对数据包进行分解，解析出各个串口所需要的数据，放入串口发送缓冲区内。
发送Arcne数据：采用周期轮循的方式，如图5所示。每个周期开始从第一个使能的串口开始查询，判断串口接收缓冲区是否有数据。如果有数据，根据Arcnet数据的数据包内部协议，读取数据并将数据存放入Arcnet发送数据缓冲区内，然后查询下一个使能的串口。直到查询到最后一个使能串口，将收到的串口数据整体打包，发送给上位机。如果没有数据，则继续进行使能串口的查询；若没有使能串口，则判断Arcnet发送缓冲区内是否有数据，若有数据，则进行数据发送。
发送周期：根据协议，一次Arcnet传输可以发送16个串口，每个串口24个数据。串口采用115200Bps，平均每86us接收到一个数据，串口接收24个数据的时间约是2ms左右。考虑Arcnet的发送周期，只要发送周期小于1ms就不会造成数据堆积。
接收串口数据：采用中断方式，一旦接收到串口数据，就存入串口接收缓冲区内。
发送串口数据：采用中断方式，判断串口协议芯片是否发送空中断信号，如果判断发送了空中断信号，并且串口发送缓冲区有数据，则进行数据发送。
一种基于Arcnet串口服务器的通信系统如图6所示：包括Arcnet总线、上位机、多个Arcnet串口服务器；对于需要使用更多串口的场合，利用Arcnet总线的特点，可以很好的实现此功能。
该通信系统采用基于总线型的拓扑结构，Arcnet串口服务器并联在Arcnet总线上，Arcnet总线连接上位机。一条总线上最多可以挂载255个Arcnet节点，理论上可以扩展上千个串口。
其中Arcnet总线通过Arcnet总线接口与上位机相连，作为串口与上位机之间的通信桥梁，负责接收上位机发送给串口的数据，将串口的数据转发给上位机。同时通过Arcnet总线接口，也可以对各个串口参数进行配置。最高通信速率为10MBps，采用双绞线通信方式。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种Arcnet串口服务器，其特征在于，该串口服务器包括：CPU、Arcnet协议芯片、串口协议芯片、console接口和电平转换电路；
其中所述CPU分别与Arcnet协议芯片、串口协议芯片和console接口相连，用于进行Arcnet协议与串口协议之间的数据转换，所述进行Arcnet协议与串口协议之间的数据转换，具体包括：通过Arcnet协议芯片，接收Arcnet总线上的数据，对数据进行解析，判断数据是需要通过哪个串口发送出去，然后将数据通过该串口的串口协议芯片发送出去；以及，通过某个串口协议芯片接收来自该串口上的数据，将数据进行数据打包，将打包后的数据通过Arcnet协议芯片发送出去；
所述Arcnet协议芯片，用于基于Arcnet协议接收和发送Arcnet数据；
所述串口协议芯片，用于接收和发送串口数据；
所述电平转换电路，与串口协议芯片相连，用于对串口数据进行电平信号转换；
所述console接口，用于配置参数；
其中，将Arcnet数据转换为串口数据的方法，具体包括：
S1、采用中断方式接收Arcnet数据，并对Arcnet数据进行帧头尾、CRC校验，校验正确后，根据Arcnet数据的数据包内部协议，对Arcnet数据的数据包进行分解，解析出各个串口所需要的数据，放入串口发送缓冲区内；
S2、采用中断方式，判断串口协议芯片是否发送空中断信号，如果判断发送了空中断信号，并且串口发送缓冲区有数据，则进行数据发送；
将串口数据转换为Arcnet数据的方法，具体包括：
A、采用中断方式接收串口数据，并存入串口接收缓冲区内；
B、采用周期轮循的方式，每个周期开始从第一个使能的串口查询，判断串口接收缓冲区是否有数据，如果有数据，则根据Arcnet数据的数据包内部协议，将数据存放入Arcnet发送数据缓冲区内，然后查询下一个使能的串口，直到查询到最后一个使能串口，将收到的串口数据整体打包，进行发送。
2.如权利要求1所述Arcnet串口服务器，其特征在于，该串口服务器还包括ROM，所述ROM与CPU相连，用于存储所配置的参数。
3.如权利1所述Arcnet串口服务器，其特征在于，该串口服务器还包括Arcnet接口，所述Arcnet接口一端与Arcnet协议芯片相连，另一端连接上位机或总线，用于传输数据。
4.如权利要求1所述Arcnet串口服务器，其特征在于，所述Arcnet数据的数据包包括如下字段：帧头、串口数量、串口号、数据长度、数据和帧尾字段。
5.如权利要求1所述Arcnet串口服务器，其特征在于，所述console接口为单片机上集成的接口。
6.一种基于Arcnet串口服务器的通信系统，其特征在于，包括Arcnet总线、上位机、多个如权利要求1所述的Arcnet串口服务器，所述多个Arcnet串口服务器并联在Arcnet总线上，所述Arcnet总线连接所述上位机。
7.如权利要求6所述的通信系统，其特征在于，Arcnet总线采用双绞线。
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