目前工業領域中有大量的設備不具備以太網接口，但這些設備都提供RS－232串口或RS－422/485串口。RS－232只能提供近距離數據傳輸，且速度不高。RS－422/485雖然能提供遠距離數據傳輸，但卻是獨立于Internet之外，不便于網絡管理。而以太網有傳輸速度快，傳輸距離遠，能夠為任何一臺聯網的計算機提供監控和數據存取服務。為使傳統串口設備能夠方便、快捷地接入互聯網，筆者以ARM7處理器LM8962和串口擴展芯片SC28L198為核心構建嵌入式系統（串口服務器），完成以太網數據與串行口數據之間的相互轉換。一方面，LM8962將SC28L198發送過來的串口數據打包成以太網數據幀，并通過自身的以太網控制器發往主機；另一方面，LM8962將收到的以太網數據解包，分離出數據和相應的串口設備號，然后通過SC28L198的相應通道發往串口設備。筆者簡化了復雜的硬件電路設計，能夠實現低成本、高速度的單芯片多串口擴展方案。采用該方案，能夠將串口設備虛擬成計算機的一個COM接口，用戶對串口設備進行遠程操作無需考慮數據傳輸的復雜性。

　　1 串口服務器硬件結構

　　該系統選用TI公司生產的ARM芯片LM8962作為主控MCU以及選用Phillips公司生產的芯片SC28L198作為8通道UART控制器。

　　該系統的主要功能是完成TCP/IP協議與串口通信協議之間的相互轉換。

　　主控制器LM8962是由LuminaryMicro公司開發的一款基于ARMCortex－M3MCU內核的32位微處理器。該處理器支持的最大主頻為50MHz，具有嵌入式Flash和SRAM、運動控制PWM等內部模塊。LM8962內部集成了以太網控制器，結合了Bosch控制器局域網技術和10/100以太網媒體訪問控制（MAC）以及物理（PHY）層，簡化了該系統以太網連接的硬件電路設計。該微控制器使用了兼容ARMThumb?的Thumb2指令集來減少存儲容量的需求，并以此達到降低成本的目的。系統的硬件結構如圖1所示。

圖1硬件結構圖

　　UART器件SC28L198提供了8路相互獨立的全雙工異步通道，每路UART通過同步總線接口與主機進行通信。每個通道的接收器和發送器均具有16個字符的FIFO，最大限度地減少了接收器超時的情況，使用用戶定義的Xon/Xoff字符可實現自動帶內流量控制，在喚醒模式下可進行地址識別。SC28L198同時還包括以下功能模塊：

　　時序模塊，其中包含一個可產生22個工業標準的波特率的通用波特率發生器和用來產生非標準波特率的2個16位計數器；I/O口控制模塊和狀態變化檢測器模塊；可仲裁24個中斷的中斷仲裁系統。為了降低軟件開銷，器件包含的中斷仲裁系統通過直接訪問或修改中斷向量的方法來報告UART中斷的情況。報告的中斷上下文包括通道編號、器件中斷類型（接收器COS等）、發送器或接收器FIFO的填充點。

　　2 串口擴展電路

　　圖2描述了具有8通道的串口聯網服務器的電路連接框圖。串口服務器的硬件由兩個主要芯片和其他外圍電路組成。在SC28L198的管腳中，CEN、W_RN、IACKN、DACKN、IRQN、SCLK管腳控制著主機外部與內部數據總線與SC28L198之間的數據傳輸，管腳A7～A0為SC28L198與ARM相連的地址總線，D7～D0為SC28L198與ARM傳輸數據的數據總線。

圖2電路連接框圖

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波特率發生器工作在振蕩器或外部X1/CCLK時鐘輸入下，可以產生22個50.0～230.4k范圍內的常用數據通信波特率。通常使用的外部晶振頻率為3.6864MHz和7.3728MHz，在7.3728MHz工作頻率下產生的波特率是3.6864MHz下產生的兩倍。每個接收器和發送器可以工作在不同的波特率下，通過向波特率選擇寄存器寫入不同的選擇代碼將產生不同的波特率。

　　SC28L198的系統時鐘（SCLK）可同時作為主機接口和其他內部電路的基本時間基準。為了確保內部控制器的正確操作，提供的SCLK頻率必須大于X1晶體時鐘的2倍或任何外部的1X數據時鐘輸入。由于LM8962芯片本身沒有提供時鐘信號輸出引腳，若由定時器中斷產生7.3728MHz以上頻率的方波信號將使LM8962頻繁處理中斷程序，影響程序執行效率。當SC28L198工作在50MHz頻率下，其中的PWM硬件模塊最高可以產生25MHz輸出，且不產生任何中斷，因此LM8962將從頻繁的查詢和處理中斷中解脫出來。

　　在該系統中，需根據不同的應用場合使用RS－232收發器或RS－422/485收發器及其外圍電路。使用RS－232收發器可以進行近距離全雙工通信，使用RS－422/485收發器能夠進行遠距離數據傳輸。由于整個系統工作于3.3V電壓下，為了匹配TTL電平和RS－232電平或RS－422/485電平，該電路采用MAX3232芯片或MAX3485芯片。

　　LM8962內部集成的以太網控制器包含一個完整的MAC模塊和PHY接口器件，簡化了硬件電路設計。該以太網控制器完全支持10BASE－T和100BASE－TX標準以及遵守IEEE802.3協議。整個系統連接以太網只需一個隔離變壓器，無需外接以太網控制芯片，簡化了硬件設計。隔離變壓器能夠隔離模塊地和數字地，從而保證SC28L198能夠遠離外界的復雜信號。

　　3 軟件設計

　　在該系統中，用戶可以對串口服務器的配置、狀態查詢和在計算機（客戶端）上通過以太網收發數據進而操作該串口服務器。在客戶端上，8個SC28L198的通道被虛擬成8個COM接口。操作這些虛擬COM接口就如同操作計算機上的物理COM接口，因此用戶不必知道數據是通過以太網進行傳輸。實際上，用戶操作這些COM接口時，產生的命令和數據將被打包成一幀數據并發往處理器LM8962，然后LM8962將數據通過SC28L198的相應通道發送到設備上。串口服務器使用ARM處理器LM8962作為嵌入式設備的核心器件，在其上運行μC/OS－II操作系統來打開、關閉和管理8個串行通道的相應進程。因此，8個串行通道能夠同時收發數據而不相互影響。

　　3.1μC/OS－II

　　μC/OS－II是免費開源、專門為嵌入式系統設計的實時操作系統。它包括任務計劃、任務管理、時間管理、內存管理、任務間的通信以及其他一些基本功能。在該系統中采用μC/OS－II來實現以下功能：

　　（1）建立一個消息隊列來存儲串口通道的消息和UDP消息；（2）控制SC28L198收發串口數據；（3）建立一個任務來管理UDP通信，并通過以太網收發數據；（4）建立一個任務來管理串口通道收發任務與UDP通信任務之間的通信。

　　3.2TCP/IP模塊

　　TCP/IP協議具有分層結構，能夠實現對以太網數據幀進行打包和解包。UDP在TCP/IP的傳輸層，提供一種不可靠的數據傳輸服務，但UDP協議相對簡單，比起TCP協議更能夠提供實時和快速的數據傳輸。在正常的運行過程中，該TCP/IP程序模塊能夠從數據隊列中獲取串口通信的數據并將數據打包至UDP包中，然后將UDP包發送至IP層，最后形成一幀數據。該幀數據將會通過以太網發送到計算機中。與此同時，該程序模塊還將從以太網接收到的數據解包出來，將其中的串口通道號和串口數據發送到SC28L198中去。表1描述了收發一幀數據的格式。

表1數據傳輸格式

　　3.3? SC28L198收發模塊

　　圖3描述了串口接收模塊的工作流程。當SC28L198中的某個接口通道接收到串口設備的一幀數據時，這些數據將被送往數據隊列，同時保存相應的串口通道號。當打包時間到了規定的時間或者打包的串口數據已經達到規定的最大長度（200字節）時，該數據包將被發往以太網。圖4描述了串口發送模塊的工作流程。當該系統通過以太網接收到主機發來的一幀數據或命令時，ARM處理器將去掉以太網幀頭、IP頭和UDP頭，提取出串口通道號，將分離出的串口數據幀發送到對應的串口通道。

圖3 串口數據接收流程
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圖4 串口數據發送流程

　　3.4初始化程序

　　在整個系統開始工作之前，程序必須對SC28L198中的每個通道進行初始化。ARM處理器LM8962通過向SC28L198的寄存器寫入命令來完成整個初始化過程。為了保證LM8962與串口設備之間傳輸的數據準確無誤，串口服務器需要規定每個通道的通信格式。該格式包括發送數據波特率和接收數據波特率、數據長度、停止位和校驗位等。整個初始化過程的程序如下：

　　void UART_Init（ void） {

　　uchar channel;

　　UART_WR （ GCCR，0 x06） ; /* 全局配置* /

　　UART_WR （ CR（ 0）， 0xF8） ; /* 重啟芯片* /

　　UART_WR （ ICR， 0x00） ; /* 設置中斷水平* /

　　UART_WR （ IVR，0x00） ; /* 設置中斷仲裁門檻* /

　　for（ channel = 0; channel ＜ 8; channel + + ） {

　　UART_WR （ MR0（ channel） ，0xC0） ; /* 無流量控制* /

　　UART_WR（ MR1（ channel） ，0x77） ; /* 設置數據格式* /

　　UART_WR（ MR2（ channel） ，0x00） ; /* 普通模式* /

　　UART_WR（ RXCSR（ channel） ，0x0E） ; /* 設置接收波特率* /

　　UART_WR（ TXCSR（ channel） ，0x0E） ; /* 設置發送波特率* /

　　UART_WR（ CR（ channel） ，0x28） ; /* 鎖住收發器* /

　　UART_WR（ IMR（ channel） ，0x03） ; /* 開啟

　　Tx 和Rx* /

　　}

　　}

　　4 結論

　　筆者研究了基于SC28L198的多串口以太網數據轉換，采用μC/OS－II操作系統和TCP/IP協議實現了實時、高效的數據傳輸，為RS232/422/485設備提供了方便快捷的以太網連接。該系統能夠為串口設備提供網絡化監控、管理，以及遠距離數據服務。
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