CN113179248A - 一种用于多类型串口转以太网服务器及控制方法 - Google Patents

一种用于多类型串口转以太网服务器及控制方法 Download PDF

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Abstract

一种用于多类型串口转以太网服务器,引入以太网芯片W5500这种新的以太网解决方案。利用硬件TCP/IP技术,设计一种工业串口服务器,实现单片机串口协议和TCP/IP协议转换功能。该串口转工业以太网服务器具有工业通讯实时性高、可靠性强和安全性高等优点,同时具有低成本、低能量和高容错性等特点,可以满足工业传感器数据级的应用实时性、可靠性和安全性的要求,在提升现有传感器数据的网络性能方面具有很大优势,可以替代传统通讯网络,具有很好的应用前景。

Description

一种用于多类型串口转以太网服务器及控制方法
技术领域
本发明涉及一种用于多类型串口转以太网服务器及控制方法。
背景技术
进入21世纪以来,网络智能化走进千家万户,已变成人们生活中不可缺少的一部分,智能化工业产品也逐渐普及,如焊接机器人、康复医疗机器人等。但目前为止,仅为局部应用,大型智能化应用尚在起步阶段,如化工园区的监控、安防系统,因为技术老旧,频繁出现灾害事故。而化工和危化品行业一旦发生泄漏,通常伴随着火灾和爆炸风险,由于无法第一时间获得灾害区域的具体情况,救援人员不敢贸然前往,耽误扑救的最佳时机。再加上灾害情况瞬息万变,很难保证救援人员的生命安全。锂电池是近几年发展非常迅猛的产业,以工作电压高、体积小、质量轻、能量密度大、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长等众多优点而被广泛使用在各种精密设备以及电动汽车上,但锂电池在充电过程中,容易出现热失控现象,如果无法提前预控,将会造成财产损失,甚至人员伤亡。针对化工园区灾害事故和锂电池充电热失控,实现早期智能监控和预防是重中之重,现如今各类传感器和智慧终端(如监控大屏、服务器等)在功能、可靠性方面已趋于完善,而无法实现整套系统智能化的原因,主要是缺少中间的纽带:一种硬件式、可靠性高的串口服务器。
以太网是遵从IEEE 802.3系列标准规范,涉及系统通信模型的链路层和物理层的局域网模型。从20世纪80年代诞生至今,其性能和使用的灵活性均得到了快速的发展,是一种得到最广泛应用的局域网技术,并且在嵌入式领域,以太网技术也得到广泛的应用。但一般的嵌入式系统以太网串口服务器设计实现方法相对复杂,其物理层和数据链路层由芯片硬件实现,其它几个层都由软件实现,在嵌入式系统中RAM空间有限,移植TCP/IP协议栈受到很大限制,并且移植工作比较复杂。
发明内容
为解决以上技术上的不足,本发明提供了一种用于多类型串口转以太网服务器及控制方法,
本发明是通过以下措施实现的:
一种用于多类型串口转以太网服务器,包括微控制器、TCP/IP嵌入式以太网控制器W5500,所述TCP/IP嵌入式以太网控制器W5500设置有与微控制器通讯连接的串行外部接口SPI,所述串行外部接口SPI包括SCS信号接口、SCLK信号接口、MOSI信号接口、MISO 信号接口,TCP/IP嵌入式以太网控制器W5500设置有TXN/TXP差分信号接口和RXN/RXP差分信号接口,并且 TXN/TXP差分信号接口和RXN/RXP差分信号接口分别连接有网络接口HR911105A中的网络变压器。
上述微控制器采用具有ARM Cortex-M3内核的微控制器STM32F103RCT6。
一种用于多类型串口转以太网服务器的控制方法,包括以下步骤:当TCP/IP嵌入式以太网控制器 W5500 初始化完成后,程序进入主循环,此时读取该 Socket 的状态值,并选择进入哪种模式;当Socket 处于关闭状态时,在进行通信之前,先将该 Socket 初始化,该Socket 作为服务器端,且该服务器端的端口固定为要侦听的端口;当 socket 将处于初始化完成状态即 SOCK_INIT 状态,此时,作为 TCP 服务器就要执行 listen()函数来侦听端口;如果连接过程中出错造成超时,该 Socket 将会被关闭,重新进入 SOCK_CLOSE 状态,待 TCP 连接的 3 次握手完成后,Socket 的状态将会转变为连接建立状态,即代码中定义的 SOCK_ESTABLISHED 状态,在进入 SOCK_ESTABLISHED 状态后,便可进行数据收发,数据通信完毕之后即执行 disconnect()函数,在收到对方 FIN 数据包之前,该 Socket 将进入 SOCK_CLOSE_WAIT 状态。
上述Socket 初始化包括以下部分:(1)配置本机MAC地址寄存器、网关地址寄存器、子网掩码寄存器和本机IP地址寄存器,若为TCP客户端模式或UDP模式,还要配置目标主机IP地址寄存器;(2)设置发送缓冲区和接收缓冲区的大小;(3)设置重复发送超时寄存器和重复发送计数寄存器。
上述进行初始化后即可检查网关服务器进行Socket设置,在数据的收发处理上采取条件发送中断接收的策略,在收据收发后重新检查网关服务器进行Socket设置,如此循环,流程如下:
第1步,初始化Socket;监听;是否建立连接,是,则执行第2步;否,则执行第1步;
第2步,是否接收数据,是,则接收数据过程,执行第3步;否,则直接进入第3步;
第3步,是否发送数据,是,则发送数据过程,执行第4步;否,则直接进入第4步;
第4步,是否接收到FIN数据包,是,则断开连接过程,执行第7步; 否,则执行第5步;
第5步,是否断开连接,是,则执行断开连接过程,执行第7步;否,则执行第6步;
第6步,是否超时,是,则执行第9步;否,则执行第2步;
第7步,是否关闭Socket,是,则执行第9步;
第8步,是否超时,是,则执行第9步;
第9步,关闭Socket。
本发明的有益效果是: 1、串口选择方面:灵活的串口、协议选择,串口含有USART、RS-232、RS-485三种选择与应用,也可以通过跳帽选择;可以通过拨码盘选择二种协议ModBus /自定义协议之一;2、总体技术方面,以太网端W5500芯片集成了TCP/IP协议栈,即芯片本身就集成了网络层和传输层的相关协议,在软件设计方面,只需要对芯片进行协议所必需的参数初始化配置就可以实现以太网的数据收发;简单、安全、稳定、可靠;
3、开发方案方面,这套硬件 TCP/IP 协议栈代替了以往的 MCU 来处理这些中断请求,即 MCU 只需要处理面向用户的应用层数据即可,传输层、网络层、链路层及物理层全部由外围 WIZnet 的芯片完成。这套方案从硬件开销和软件开发两个方面来简化前面所述的五层网络模型,简化产品开发方案。4、运行速度方面,由于硬件协议栈的加入协助单片机处理了几乎所有的 TCP/IP 协议工作,不仅极大地减少了单片机的中断次数,让单片机腾出更多资源去完成其他工作,而且硬件化的电路处理协议会更加快速、稳定。经试验测试,单线程下,该方案的通信速度是软件协议方案的 10 倍左右;随着线程的增加,因为硬件协议栈是通过独立的 Socket 进行通信,因而通信速度实现累加,而且单片机工作效率仍然会维持在高位。5、代码量方面,因为这套方案主要是完成对 Socket 的编程以及寄存器的调用,因此仅有 10K 左右的代码量,远小于软件协议方案,对 STM32 等内存很有限的单片机来说非常适用。6、成本方面,硬件协议栈芯片的价格跟用 MAC+PHY 比起来基本差不多。而前者简单易用,用很短时间便能完成产品的开发过程。另外,官方例程库及上位机程序丰富,也缩短了测试过程,后期基本免于维护。7、安全性方面,硬件化的逻辑门电路来处理TCP/IP 协议是不可攻击的,也就是说网络攻击和病毒对它无效,这也充分弥补了网络协议安全性不足的短板。
附图说明
图1 为本发明的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述:
如图1所示,一种用于多类型串口转以太网服务器,引入以太网芯片W5500这种新的以太网解决方案。利用硬件TCP/IP技术,设计一种工业串口服务器,实现单片机串口协议和TCP/IP协议转换功能,即串口服务器与上位机之间通讯采用了TCP/IP协议、与各种IO节点之间采用USART或SPI协议。本设计串口服务器的硬件基于STM32F103控制芯片和W5500芯片、软件基于Keil uVision5开发编译环境。核心芯片以太网端W5500芯片集成了TCP/IP协议栈,即芯片本身就集成了网络层和传输层的相关协议,在软件设计方面,只需要对芯片进行协议所必需的参数初始化配置就可以实现以太网的数据收发。经过试验测试及现场应用,结果表明,该串口转工业以太网服务器具有工业通讯实时性高、可靠性强和安全性高等优点,同时具有低成本、低能量和高容错性等特点,可以满足工业应用实时性、可靠性和安全性的要求,在提升现有网络性能方面具有很大优势,可以替代传统通讯网络,具有很好的应用前景。
具体包括微控制器、TCP/IP嵌入式以太网控制器W5500,TCP/IP嵌入式以太网控制器W5500设置有与微控制器通讯连接的串行外部接口SPI,所述串行外部接口SPI包括SCS信号接口、SCLK信号接口、MOSI信号接口、MISO 信号接口,TCP/IP嵌入式以太网控制器W5500设置有TXN/TXP差分信号接口和RXN/RXP差分信号接口,并且 TXN/TXP差分信号接口和RXN/RXP差分信号接口分别连接有网络接口HR911105A中的网络变压器。微控制器采用具有ARMCortex-M3内核的微控制器STM32F103RCT6。
一种用于多类型串口转以太网服务器的控制方法,包括以下步骤:当TCP/IP嵌入式以太网控制器 W5500 初始化完成后,程序进入主循环,此时读取该 Socket 的状态值,并选择进入哪种模式;当Socket 处于关闭状态时,在进行通信之前,先将该 Socket 初始化,该Socket 作为服务器端,且该服务器端的端口固定为要侦听的端口;当 socket 将处于初始化完成状态即 SOCK_INIT 状态,此时,作为 TCP 服务器就要执行 listen()函数来侦听端口;如果连接过程中出错造成超时,该 Socket 将会被关闭,重新进入 SOCK_CLOSE 状态,待 TCP 连接的 3 次握手完成后,Socket 的状态将会转变为连接建立状态,即代码中定义的 SOCK_ESTABLISHED 状态,在进入 SOCK_ESTABLISHED 状态后,便可进行数据收发,数据通信完毕之后即执行 disconnect()函数,在收到对方 FIN 数据包之前,该 Socket 将进入 SOCK_CLOSE_WAIT 状态。
Socket 初始化包括以下部分:(1)配置本机MAC地址寄存器、网关地址寄存器、子网掩码寄存器和本机IP地址寄存器,若为TCP客户端模式或UDP模式,还要配置目标主机IP地址寄存器;(2)设置发送缓冲区和接收缓冲区的大小;(3)设置重复发送超时寄存器和重复发送计数寄存器。
进行初始化后即可检查网关服务器进行Socket设置,在数据的收发处理上采取条件发送中断接收的策略,在收据收发后重新检查网关服务器进行Socket设置,如此循环,流程如下:
第1步,初始化Socket;监听;是否建立连接,是,则执行第2步;否,则执行第1步;
第2步,是否接收数据,是,则接收数据过程,执行第3步;否,则直接进入第3步;
第3步,是否发送数据,是,则发送数据过程,执行第4步;否,则直接进入第4步;
第4步,接收到FIN数据包,是,则断开连接过程,执行第7步; 否,则执行第5步;
第5步,是否断开连接,是,则执行断开连接过程,执行第7步;否,则执行第6步;
第6步,是否超时,是,则执行第9步;否,则执行第2步;
第7步,是否关闭Socket,是,则执行第9步;
第8步,是否超时,是,则执行第9步;
第9步,关闭Socket。
以上所述仅是本专利的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本专利技术原理的前提下,还可以做出若干改进和替换,这些改进和替换也应视为本专利的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于多类型串口转以太网服务器,其特征在于:包括微控制器、TCP/IP嵌入式以太网控制器W5500,所述TCP/IP嵌入式以太网控制器W5500设置有与微控制器通讯连接的串行外部接口SPI,所述串行外部接口SPI包括SCS信号接口、SCLK信号接口、MOSI信号接口、MISO 信号接口,TCP/IP嵌入式以太网控制器W5500设置有TXN/TXP差分信号接口和RXN/RXP差分信号接口,并且 TXN/TXP差分信号接口和RXN/RXP差分信号接口分别连接有网络接口HR911105A中的网络变压器。
2.根据权利要求1所述用于多类型串口转以太网服务器,其特征在于:所述微控制器采用具有ARM Cortex-M3内核的微控制器STM32F103RCT6。
3.一种如权利要求1所述的用于多类型串口转以太网服务器的控制方法,其特征在于,包括以下步骤:当TCP/IP嵌入式以太网控制器 W5500 初始化完成后,程序进入主循环,此时读取该 Socket 的状态值,并选择进入哪种模式;当Socket 处于关闭状态时,在进行通信之前,先将该 Socket 初始化,该Socket 作为服务器端,且该服务器端的端口固定为要侦听的端口;当 socket 将处于初始化完成状态即 SOCK_INIT 状态,此时,作为 TCP 服务器就要执行 listen()函数来侦听端口;如果连接过程中出错造成超时,该 Socket 将会被关闭,重新进入 SOCK_CLOSE 状态,待 TCP 连接的 3 次握手完成后,Socket 的状态将会转变为连接建立状态,即代码中定义的 SOCK_ESTABLISHED 状态,在进入 SOCK_ESTABLISHED 状态后,便可进行数据收发,数据通信完毕之后即执行 disconnect()函数,在收到对方 FIN 数据包之前,该 Socket 将进入 SOCK_CLOSE_WAIT 状态。
4.根据权利要求3所述用于多类型串口转以太网服务器的控制方法,其特征在于,Socket 初始化包括以下部分:(1)配置本机MAC地址寄存器、网关地址寄存器、子网掩码寄存器和本机IP地址寄存器,若为TCP客户端模式或UDP模式,还要配置目标主机IP地址寄存器;(2)设置发送缓冲区和接收缓冲区的大小;(3)设置重复发送超时寄存器和重复发送计数寄存器。
5.根据权利要求3所述用于多类型串口转以太网服务器的控制方法,其特
征在于:进行初始化后即可检查网关服务器进行Socket设置,在数据的收发处理上采取条件发送中断接收的策略,在收据收发后重新检查网关服务器进行Socket设置,如此循环,流程如下:
第1步,初始化Socket;监听;是否建立连接,是,则执行第2步;否,则执行第1步;
第2步,是否接收数据,是,则接收数据过程,执行第3步;否,则直接进入第3步;
第3步,是否发送数据,是,则发送数据过程,执行第4步;否,则直接进入第4步;
第4步,是否接收到FIN数据包,是,则断开连接过程,执行第7步; 否,则执行第5步;
第5步,是否断开连接,是,则执行断开连接过程,执行第7步;否,则执行第6步;
第6步,是否超时,是,则执行第9步;否,则执行第2步;
第7步,是否关闭Socket,是,则执行第9步;
第8步,是否超时,是,则执行第9步;
第9步,关闭Socket。
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