CN111459632A - 一种供终端应用程序调用的串口代理及实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种供终端应用程序调用的串口代理及实现方法，所述的串口代理包括主机侧与代理侧两部分，主机侧为一个与代理测串口代理软件匹配的接口管理程序；代理侧为在串口和连接对象之间接入的由串口代理硬件及其嵌入式软件程序组成的系统；所述方法对使用串行接口的模块以及器件进行了统一管理，能够接入各种具有异步串行口的模块与器件。此串口代理有两种运行状态，分别是管理状态以及工作状态；当串口代理处于管理状态下时，能确认接口的有效性并提供代理的下层属性，使得应用程序能够根据不同的连接设备自主选择工作的模式；当串口代理处于工作状态下时，串口代理透明地在主机和接口对象间转发数据，不进行任何处理。

Description

一种供终端应用程序调用的串口代理及实现方法
技术领域
本发明属于计算机以及嵌入式技术领域，具体涉及一种供终端应用程序调用的串口代理及实现方法。
背景技术
连接处于物联网感知层的终端设备是实现万物互联的第一步。物联网技术的持续发展，催生了大量与物联网相关的需求和应用，要求物联网能够接入各种具有异步串行接口的模块以及器件。但仅依靠Windows和Linux的应用程序无法实现对不同连接对象进行识别管理。当连接对象断连或改变时，不能自主改变工作状态，需要人工参与配置。上述缺陷耗费大量人工并加大了物联网维护的成本，也不利于物联网平台的智能化，破坏了物联网平台的适用性。
发明内容
发明目的：本发明提供一种供终端应用程序调用的串口代理及实现方法，能够做到串口及其接入的对象系统的即插即用。
4、发明内容：本发明所述的一种供终端应用程序调用的串口代理，包括主机侧与代理侧两部分，主机侧为一个与代理测串口代理软件匹配的接口管理程序；代理侧为在串口和连接对象之间接入的由串口代理硬件及其嵌入式软件程序组成的系统；所述主机侧包括主机侧接口处理模块和主机侧数据处理模块；所述主机侧接口处理模块实现主机侧接口的管理，供主机侧应用程序调用；所述主机侧数据处理模块实现与连接对象之间的数据传输，包括全局传感、执行数据以及全局管理数据；所述代理侧包括主机接口适配模块、代理侧数据处理模块和南向接口适配模块；所述主机接口适配模块将来自代理侧的电平接口转换为主机侧电平接口；所述代理侧数据处理模块完成配置代理工作状态，数据格式转换，数据转发功能；所述南向接口适配模块处理与连接对象接口的电平转换和接口协议转换。
所述代理侧硬件由一个至少带有两个UART串口的低价8位处理器组成。
本发明还提供一种供终端应用程序调用的串口代理的实现方法，包括以下步骤：
(1)主机启动，主机向代理侧发送类型请求指令；代理侧收到类型请求，进入初始化状态并向主机侧返回该串口所连接终端设备的类型信息；主机侧向代理侧发送进入工作状态命令，代理侧进入工作状态；
(2)主机侧定时检查串口，对已知串口类型的代理进行心跳检测，对未知串口类型的代理与步骤1相同；已进入工作状态的代理对心跳检测返回心跳响应，其余时间正常转发数据；尚未初始化的代理与步骤1中相同。
进一步地，所述步骤(1)包括以下步骤：
(11)网关中维护一个现有串口表，每个串口一条记录，记录中只有三个参数：虚拟的串口标识，串口的操作系统名称和串口接口类型编码；
(12)网关程序启动时，首先检查系统中所有存在的串口，并进行串口的初始化，即向每个串口中的代理发送类型请求消息，如果获得回复，则建立该串口的记录，并使串口进入工作状态；
(13)主机侧有一个串口检测线程，定时启动，检测串口是否有更新，如果串口不再工作，则从现有串口表中删除其记录；如果发现新的串口，则向其发送类型请求消息，进入初始化过程；
(14)串口代理接入系统时，不进行任何操作，等待网关侧的初始化，初始化以后，串口才可以收发数据；
(15)代理接口处于初始化状态时，通信双方不传输全局数据，而是进行管理信息的交换；
(16)接口数据结构比较简单，当主机侧需要进行管理交互的时候，发送以4个0xfe起始的管理帧，当前管理帧包括以下三种：接口类型请求帧以及接口类型响应帧，方向分别为代理至主机侧和主机至代理侧；工作状态命令帧，方向为主机至代理侧；接口心跳请求帧以及接口心跳响应帧，方向分别为代理至主机侧和主机至代理侧。
进一步地，所述步骤(2)包括以下步骤：
(21)接口检查定时器溢出时，主机程序检查系统中存在的所有串行口；
(22)若存在串行接口，主机程序任取一个串口准备处理，若不存在则返回步骤(21)；
(23)查看接口代理表中是否存在该串口，如果存在进入步骤(24)，如果不存在则进入步骤(25)；
(24)启动心跳检查，主机程序检查串口的实际类型是否相符，如果相符，则不进行任何操作；如果不相符，主机程序查看接口类型表中是否有该串口类型，如果有则建立记录并启动正常工作状态，否则装载新的串口程序，处理结束后进入步骤(26)；
(25)主机程序对该串口代理执行初始化操作，成功以后，在接口代理表中添加相应的记录；
(26)返回步骤(22)，直到处理完所有串口后返回步骤(21)。
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：1、本发明能够做到串口及其接入的对象系统的即插即用；2、本发明能够保证串口相关程序的可移植性；3、本发明能够在操作系统侧控制串口接入的嵌入式系统的GPIO；4、本发明屏蔽了USB转换后串口名称的改变，保证了程序的运行；5、本发明在有缓冲的情况下，两侧串口的传输速率(或称波特率)可以不相同，扩展了可使用的传输速率。
附图说明
图1为本发明中的串口代理结构。
图2为本发明中的代理实现方式步骤图；
图3为本发明中实现方法步骤1中主机侧流程图；
图4为本发明中实现方法步骤1中代理侧流程图；
图5为本发明中实现方法步骤2中主机侧流程图；
图6为本发明中实现方法步骤2中代理侧流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
图1为本发明中的串口代理结构。串口代理包括主机侧与代理侧两部分，主机侧为一个与代理测串口代理软件匹配的接口管理程序；代理侧为在串口和连接对象之间接入的由串口代理硬件及其嵌入式软件程序组成的系统；主机侧包括主机侧接口处理模块和主机侧数据处理模块；主机侧接口处理模块实现主机侧接口的管理，供主机侧应用程序调用；主机侧数据处理模块实现与连接对象之间的数据传输，包括全局传感、执行数据以及全局管理数据；代理侧包括主机接口适配模块、代理侧数据处理模块和南向接口适配模块；主机接口适配模块将来自代理侧的电平接口转换为主机侧电平接口；代理侧数据处理模块完成配置代理工作状态，数据格式转换，数据转发功能；南向接口适配模块处理与连接对象接口的电平转换和接口协议转换。
对于应用程序来说，代理侧的三个模块形成一个整体，能够被应用程序所调用，相当于一个可以自动识别接口对象类型的普通串口。即代理机制是透明的，应用程序无须了解其内部操作细节，按调用接口的要求调用即可。
图2为串口代理实现方式步骤图，状态的转换由网关(主机)侧发起，其步骤如下：
1、主机启动，主机向代理侧发送类型请求指令；代理侧收到类型请求，进入初始化状态并向主机侧返回该串口所连接终端设备的类型信息；主机侧向代理侧发送进入工作状态命令，代理侧进入工作状态。如图3所示，主机程序启动时删除接口代理表中的所有记录；主机程序检查系统中存在的所有串行口；若存在未记录串口，则主机程序对该串口代理执行初始化操作。操作成功后，网关(主机)程序在接口代理表中添加相应的记录，启动接口检查定时器。具体包括以下步骤：
(1)网关中维护一个现有串口表，每个串口一条记录，记录中只有三个参数：虚拟的串口标识，串口的操作系统名称和串口接口类型编码；
(2)网关程序启动时，首先检查系统中所有存在的串口，并进行串口的初始化，即向每个串口中的代理发送类型请求消息，如果获得回复，则建立该串口的记录，并使串口进入工作状态；
(3)主机侧有一个串口检测线程，定时启动，检测串口是否有更新，如果串口不再工作，则从现有串口表中删除其记录；如果发现新的串口，则向其发送类型请求消息，进入初始化过程；
(4)串口代理接入系统时，不进行任何操作，等待网关侧的初始化，初始化以后，串口才可以收发数据；
(5)代理接口处于初始化状态时，通信双方不传输全局数据，而是进行管理信息的交换；
(6)接口数据结构比较简单，当主机侧需要进行管理交互的时候，发送以4个0xfe起始的管理帧，当前管理帧包括以下三种：接口类型请求帧以及接口类型响应帧，方向分别为代理至主机侧和主机至代理侧；工作状态命令帧，方向为主机至代理侧；接口心跳请求帧以及接口心跳响应帧，方向分别为代理至主机侧和主机至代理侧。
2、主机侧定时检查串口，对已知串口类型的代理进行心跳检测，对未知串口类型的代理与步骤1相同；已进入工作状态的代理对心跳检测返回心跳响应，其余时间正常转发数据；尚未初始化的代理与步骤1中相同。如图5所示，具体包括以下步骤:
(1)接口检查定时器溢出时，主机程序检查系统中存在的所有串行口；
(2)若存在串行接口，主机程序任取一个串口准备处理，若不存在则返回步骤(1)；
(3)查看接口代理表中是否存在该串口，如果存在进入步骤(4)，如果不存在则进入步骤(5)；
(4)启动心跳检查，主机程序检查串口的实际类型是否相符，如果相符，则不进行任何操作；如果不相符，主机程序查看接口类型表中是否有该串口类型，如果有则建立记录并启动正常工作状态，否则装载新的串口程序，处理结束后进入步骤(6)；
(5)主机程序对该串口代理执行初始化操作，成功以后，在接口代理表中添加相应的记录；
(6)返回步骤(2)，直到处理完所有串口后返回步骤(1)。
主机侧有一个异步的接口管理线程，执行所有的接口管理功能，属于主机程序的一部分，其操作要点如下：
图3和图5为本发明中实现方法中主机侧算法流程图。此线程需要管理如下的数据结构:接口检查定时器，以便定时检查系统接口接入情况；接口代理表，记录操作系统指定的串口名称及对应的接口类型；接口类型表，包括主机所能够处理的所有接口类型编码以及与之对应的调用入口。主机程序启动和接口检查定时器溢出时，接口管理线程进行代理接口管理操作。主机程序启动时，接口管理线程删除接口代理表中的所有记录，以准备检查接口。接口检查定时器溢出时，接口管理线程不删除接口代理表中记录，只是检查接口的存在和一致性。如果发现新的串口，则主机程序对该串口代理执行初始化操作。
在工作状态下，接口管理线程定时向串口代理发送接口心跳检查请求帧，如果返回正常，则不进行任何操作；如果返回类型与记录类型不符，则主机程序对该串口代理执行初始化操作；如果超时没有响应，则接口管理线程从接口代理表中删除相应的记录。
主机侧涉及到串口通信的操作要点如下：网关(主机)侧接收到串口发来的数据以后，首先检查串口代理是否已经进入正常工作状态(STATE_NORMAL)。如果已经进入，则根据接口代理表的内容，选择正确的数据处理层进行数据处理。如果串口尚未进入正常工作状态，则网关主机侧需要丢弃已经收到的数据，进入串口代理的管理过程。如果串口代理表中没有相应的记录，网关主机侧也要丢弃收到的数据，进入串口管理过程。
图4和图6为本发明中实现方式中代理侧流程图。代理侧完成以下功能：在主机侧和对外接口侧之间转发数据；管理接口的状态；管理对外接口侧连接的设备或器件的GPIO状态。
代理侧的对外接口，即图1中的南向接口适配模块，一般连接一个功能模块，例如：LoRa无线通信收发模块，LoRa代理模块；ZigBee收发模块；各种传感器模块；各种执行器模块。
为了完成代理功能，代理侧数据处理模块执行以下操作：主机程序启动时，代理侧的初始化操作，如图4所示。主机程序运行中串口有新设备插入时也执行此操作；GPIO管理操作；正常状态下的数据转发操作，如图6所示。
图4为本发明中实现方式步骤1中代理侧流程图，其具体流程如下：
a)理侧数据处理模块检测主机侧是否有信息输入并判断是否是转义字符串，是则进入下一步，否则停留在步骤a)；
b)代理侧数据处理模块从主机接收管理命令并判断是否为正常命令，若为正常命令则判断指令是否为类型请求指令，若是则进入下一步骤，否则返回步骤a)；
c)代理侧数据处理模块向网关(主机)返回类型指令，启动计时并等待从主机侧接收进入工作状态指令，若超时则返回步骤a)，若在超时前接收到指令则进入工作状态。
图6为本发明中实现方式步骤2中代理侧流程图。
a)代理侧数据处理模块等待南向接口适配模块或者主机接口适配模块发来的数据，若南向接口适配模块接收到数据进入步骤b)，若收到主机接口适配模块发来的数据则进入步骤c)；
b)若南向接口适配模块接收到数据，数据处理模块先对数据进行缓冲操作，若缓冲区未满，则判断发送定时器是否超时，在缓冲区满或发送定时器超时的情况下将对外接口侧缓冲区内容发往主机接口适配模块；
c)若收到主机接口适配模块数据，数据处理模块先对数据进行缓冲操作，若收到转义字符串，则进入管理状态；若不是转义字符串，则判断缓冲区是否已满，若缓冲区未满，则判断发送定时器是否超时，在缓冲区满或者发送定时器超时的情况下将主机侧缓冲区内容发往南向接口适配模块。
下面给出两个网关连接实例对本发明创造作进一步的详细说明。物联网网关连接物联网与各种不同传感器网络的媒介，因此需要其具备接入各种具有异步串行接口的模块以及器件的能力。此处将给出ZigBee网络收发器和LoRa模块通过本发明的串口代理与网关相连接的实例。
连接ZigBee网络收发器要点：
1)ZigBee网络收发器本身就是可编程器件，所以并不需要额外的代理处理器，使用UART接口与网关处理器主板上的UART接口直接相连。
2)ZigBee网络收发器与网关处理器主板放置于同一底板上，底板负责给ZigBee网络收发器与网关处理器供电，所以网关和ZigBee网络收发器总是同时上电或断断电。
3)当网关程序启动时，网关程序总是能检查出网关处理器主板上的UART接口。假设名为“ttyS1”网关UART接口连接了ZigBee网络收发器，则网关(主机)程序向“ttyS1”的串口代理执行初始化操作，即向ZigBee网络收发器执行图2操作。
4)ZigBee网络收发器收到类型请求消息后，向网关(主机)返回ZigBee类型信息。网关(主机)程序收到类型信息后进入工作状态，向ZigBee网络收发器发送进入工作状态指令。随后ZigBee网络收发器进入工作状态并开始透明传输数据
5)当该串口代理进入工作状态后，网关(主机)程序将定时对该串口启动心跳检查。若该串口代理没有回复，说明ZigBee网络收发器与网关(主机)断连，则在接口代理表中删除此串口的记录；若该串口返回类型与现在接口代理表中类型不同，说明此串口连接设备被替换，不再是ZigBee网络收发器，则需要对此串口重新进行初始化操作。
连接LoRa模块要点：
1)LoRa模块无法编程，所以需要通过额外的代理处理器连接网关处理器主板。代理处理器连接网关处理器主板上的扩展USB接口。
2)LoRa模块作为扩展模块，可能在网关(主机)未启动时就已连接到网关(主机)，也可能在网关(主机)运行时连接到网关，或者在网关运行时从网关上取下。
3)LoRa模块在网关(主机)未启动时就已连接到网关的情况与连接ZigBee网络收发器的情况相同。
4)在网关(主机)运行时将LoRa模块连接到网关(主机)，则当网关(主机)程序进行定时心跳检查时，网关(主机)程序会发现接口代理表中不存在的串口的操作系统名，如“ttyusb1”。此时网关(主机)程序对此串口代理执行初始化操作，成功以后，在接口代理表中添加相应的记录。
5)在网关(主机)运行时将LoRa模块从网关取下，则当网关(主机)程序进行定时心跳检查时，会发现接口代理表中的“ttyusb1”并不存在，则说明此串口不再工作，从现有接口代理表中删除其记录。
本例的LoRa模块中，有一个模式控制接口(M0，M1)，占用代理处理器的两个GPIO端口，代理的主机侧可以向其北向实体提供接入这个控制接口的服务。当北向实体调用该服务时，主机侧使用转义字符向代理处理器侧发送相应的命令，使其进入管理状态，进而根据主机侧发送的命令，管理这个接口。这是网关可以在没有硬件接口的情况下，处理额外设备控制端口的例子。

Claims (5)

1.一种供终端应用程序调用的串口代理，其特征在于，包括主机侧与代理侧两部分，主机侧为一个与代理测串口代理软件匹配的接口管理程序；代理侧为在串口和连接对象之间接入的由串口代理硬件及其嵌入式软件程序组成的系统；所述主机侧包括主机侧接口处理模块和主机侧数据处理模块；所述主机侧接口处理模块实现主机侧接口的管理，供主机侧应用程序调用；所述主机侧数据处理模块实现与连接对象之间的数据传输，包括全局传感、执行数据以及全局管理数据；所述代理侧包括主机接口适配模块、代理侧数据处理模块和南向接口适配模块；所述主机接口适配模块将来自代理侧的电平接口转换为主机侧电平接口；所述代理侧数据处理模块完成配置代理工作状态，数据格式转换，数据转发功能；所述南向接口适配模块处理与连接对象接口的电平转换和接口协议转换。
2.根据权利要求1所述的一种供终端应用程序调用的串口代理，其特征在于，所述代理侧硬件由一个至少带有两个UART串口的低价8位处理器组成。
3.一种采用如权利要求1所述的串口代理的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)主机启动，主机向代理侧发送类型请求指令；代理侧收到类型请求，进入初始化状态并向主机侧返回该串口所连接终端设备的类型信息；主机侧向代理侧发送进入工作状态命令，代理侧进入工作状态；
(2)主机侧定时检查串口，对已知串口类型的代理进行心跳检测，对未知串口类型的代理与步骤1相同；已进入工作状态的代理对心跳检测返回心跳响应，其余时间正常转发数据；尚未初始化的代理与步骤1中相同。
4.根据权利要求3所述的一种供终端应用程序调用的串口代理的实现方法，其特征在于，所述步骤(1)包括以下步骤：
(11)网关中维护一个现有串口表，每个串口一条记录，记录中只有三个参数：虚拟的串口标识，串口的操作系统名称和串口接口类型编码；
(12)网关程序启动时，首先检查系统中所有存在的串口，并进行串口的初始化，即向每个串口中的代理发送类型请求消息，如果获得回复，则建立该串口的记录，并使串口进入工作状态；
(13)主机侧有一个串口检测线程，定时启动，检测串口是否有更新，如果串口不再工作，则从现有串口表中删除其记录；如果发现新的串口，则向其发送类型请求消息，进入初始化过程；
(14)串口代理接入系统时，不进行任何操作，等待网关侧的初始化，初始化以后，串口才可以收发数据；
(15)代理接口处于初始化状态时，通信双方不传输全局数据，而是进行管理信息的交换；
(16)接口数据结构比较简单，当主机侧需要进行管理交互的时候，发送以4个0xfe起始的管理帧，当前管理帧包括以下三种：接口类型请求帧以及接口类型响应帧，方向分别为代理至主机侧和主机至代理侧；工作状态命令帧，方向为主机至代理侧；接口心跳请求帧以及接口心跳响应帧，方向分别为代理至主机侧和主机至代理侧。
5.根据权利要求3所述的一种供终端应用程序调用的串口代理的实现方法，其特征在于，所述步骤(2)包括以下步骤：
(21)接口检查定时器溢出时，主机程序检查系统中存在的所有串行口；
(22)若存在串行接口，主机程序任取一个串口准备处理，若不存在则返回步骤(21)；
(23)查看接口代理表中是否存在该串口，如果存在进入步骤(24)，如果不存在则进入步骤(25)；
(24)启动心跳检查，主机程序检查串口的实际类型是否相符，如果相符，则不进行任何操作；如果不相符，主机程序查看接口类型表中是否有该串口类型，如果有则建立记录并启动正常工作状态，否则装载新的串口程序，处理结束后进入步骤(26)；
(25)主机程序对该串口代理执行初始化操作，成功以后，在接口代理表中添加相应的记录；
(26)返回步骤(22)，直到处理完所有串口后返回步骤(21)。
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