隨著互聯網的迅猛發(fā)展，在使用計算機進行網絡互聯的同時，各種家電設備、儀器儀表以及工業(yè)生產中的數據采集和控制設備也在逐步地走向網絡化，以便共享網絡資源。所以，在電子設備日趨網絡化的今天，利用串口服務器來實現網絡通信具有十分重要的意義。利用基于TCP/IP的串口數據流傳輸的實現來控制管理設備，無需投資大量的人力、物力即可完成對傳統(tǒng)設備的管理、更換或者升級。

串口服務器的功能

串口服務器是一種通信協(xié)議轉換器，它設有兩類通信端口：一類是標準的RS232/422/485格式的串行端口，遠程的RTU（遠程終端設備）監(jiān)控模塊通過串行控制總線接入串口服務器的此類端口；另一類是以太網口，通過網線將串口服務器接入局域網的交換機等設備中。

串口服務器在工作中可自動將RS232/422/485格式的串行數據與基于TCP/IP協(xié)議的以太網數據包進行透明轉換。一方面，串口服務器收到來自某一串行端口的現場數據，將其轉換為TCP/IP格式的數據，通過以太網口進行網絡上傳；另一方面，串口服務器在局域網中捕獲合法的數據協(xié)議包，通過解包來解析出有效的控制信息，通過監(jiān)控機指定的串行端口將控制命令以串行數據的方式傳送給遠程RTU.

硬件平臺
此系統(tǒng)的硬件平臺如圖1所示，它是以AT91RM9200芯片構建的Multibus-CPU開發(fā)板。MultiBus-CPU系統(tǒng)是基于AT91RM9200微控制器的智能化多總線測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以建立基于Modbus-RTU總線協(xié)議的總線通信，使系統(tǒng)設備可以無縫地接入到基于Modbus-RTU模式的總線系統(tǒng)，以及可靠、實時并準確地完成工業(yè)現場的數據采集和信號輸出等功能。系統(tǒng)支持Modbus-RTU協(xié)議，同時，系統(tǒng)還支持多種總線通信，包括RS485總線，工業(yè)以太網（UDP協(xié)議），串口RS232通信接口和USB通信接口。

圖1:CPU模塊原理圖。

軟件平臺

本設計采用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)。ARM上的Linux的主要優(yōu)勢：可擴展的完整操作系統(tǒng)提供了可靠的多任務環(huán)境，基于開源模型（GPL），利用多種UNIX和開源應用程序以及用于基于ARM技術的多種設計（包括網絡和無線領域）。

Modbus協(xié)議

Modbus協(xié)議是應用于電子控制器的一種通信語言。利用這個協(xié)議，控制器相互之間以及控制器通過網絡（例如以太網）和其他設備之間進行通信。

主流的Modbus協(xié)議為標準Modbus協(xié)議（Modbus RTU協(xié)議）和Modbus TCP協(xié)議。標準的Modbus通信協(xié)議定義了報文幀的每一字節(jié)，定義了怎樣將數據打包成報文幀以及如何解碼。報文幀包括一個字節(jié)的地址碼，一個字節(jié)的功能碼，數據和兩個字節(jié)的校驗碼。其中，校驗碼采用CRC校驗。

Modbus TCP協(xié)議是在標準Modbus協(xié)議的基礎上進一步發(fā)展而來的。它是將Modbus協(xié)議嵌入到底層TCP/IP協(xié)議中構成的，這樣就在TCP/IP的以太網上實現了客戶機-服務器架構的Modbus報文通信。二者的數據幀結構如圖2所示。

圖2:標準Modbus與Modbus_TCP數據幀結構對比。

分析Modbus TCP協(xié)議和RTU協(xié)議，可以非常清楚地看出兩者的主要區(qū)別。與Modbus RTU協(xié)議相比，Modbus TCP數據幀里已不再有CRC校驗，而這部分校驗的任務是由TCP/IP協(xié)議和以太網的鏈路層來完成的。另外，Modbus TCP較標準的Modbus協(xié)議還加入了一個MBAP報文頭，由它來解釋說明Modbus的參數和功能。其他部分兩者可以互相通用。如果TCP協(xié)議轉換為RTU協(xié)議，那么，只需要把TCP協(xié)議MBAP頭中的"單元標識域"和后續(xù)字節(jié)組成一幀，再加上此幀的CRC校驗就可以組成RTU協(xié)議，而在串行鏈路上進行發(fā)送。如果是RTU協(xié)議轉換到TCP協(xié)議的話，那么要根據實際情況組建一個MBAP頭。

獲取配置信息GetCONfigValue功能的設計與實現

在設計串口服務器之前，首先要配置相應的設備號并給設備配置相應的串口服務器IP地址、TCP通信端口號和串口參數等，這些配置信息放在一個txt文件當中。

我們設計了一個Configinfo.txt文件，當我們需要向一個設備傳遞信息時，需要首先從文件中讀取配置信息，對相應的串口及工控板的網絡進行配置，然后再進行相應的操作。這時，我們在其中用到了兩個自定義函數：GetConfigValue和GetCFGValue.其中GetConfigValue的功能是將Configinfo.txt中的信息配置給串口服務器，它調用GetCFGValue函數，在Configinfo.txt中尋找相應的配置信息項，并截取相應的配置信息。它們的程序框圖如圖3（a）和3（b）所示。

圖3:GetConfigValue函數程序流程圖（a）和GetCFGValue函數程序流程圖（b）。

串口操作函數封裝的設計與實現

在對串口進行相應的操作時，首先要打開串口并配置串口的波特率、數據位、停止位和工作模式等。這些關于串口的操作都封裝在一個文件當中，以使結構清晰，方便檢查以及修改或增加更多的操作函數。所進行的包括以下幾種操作。

串口的打開和關閉：打開串口時，需要首先判斷串口的類型，然后以一定的方式打開串口并保存原來的串口配置信息，最后對串口進行波特率、數據位、停止位和奇偶校驗位的設置。關閉串口時，需要將原來保存的終端信息恢復，使串口回到打開前的狀態(tài)。

對串口進行數據讀寫：串口的讀寫操作是串口服務器最基本的功能，當有數據傳送過來時，需要通過串口發(fā)送。寫串口操作會把內存中的數據寫入所指的文件，讀串口操作會把串口送來的數據寫入內存中。分別用writecomport和readcomport來實現。

對串口進行設置：需要設置波特率、數據位、停止位和奇偶校驗位。調用定義的封裝函數，來完成這些操作。串口的工作模式通過termios函數的配置來控制。

Modbus TCP/RTU相互轉換功能的實現

這一步是串口服務器設計的關鍵，其轉換重點在于CRC校驗和MBPA報頭的變換。在這里，定義mod2tcp函數來完成Modbus RTU到TCP格式的轉換，定義tcp2mod函數來完成Modbus TCP到RTU格式的數據轉換。例如，來自Modbus主站的TCP協(xié)議請求，經串口服務器轉換成Modbus RTU格式，經485口發(fā)送給從站，并將從站相應數據經485接口送入串口服務器，轉換成Modbus TCP格式信息返回主站（圖4）。

圖4:Modbus TCP/RTU相互轉換示例。

程序流程如圖5（a）和5（b）所示。

圖5:Modbus RTU 到TCP格式數據轉換程序流程（a）和Modbus TCP 到RTU格式數據轉換程序流程（b）。

由此可見，TCP格式字節(jié)數=RTU格式字節(jié)數-2+6,獲取的可用數據均相同，因此其程序實現就不再是難題了。

CRC校驗功能

CRC即循環(huán)冗余校驗碼，它是數據通信領域中最常用的一種差錯校驗碼。RTU方式時，CRC校驗傳送的全部數據，它忽略信息中單個字符數據的奇偶校驗方法。CRC校驗的關鍵在于數據的匹配，將得到的數據如何正確的套用到CRC校驗當中是其中的關鍵。

CRC校驗有既定的規(guī)則，其程序實現非常簡單，只需要以下幾步：CRC字節(jié)的初始化；將數據導入進行CRC計算；返回計算出的CRC值。

串口服務器的設計與實現

此部分介紹整個程序的main（）函數，它會調用前文介紹的函數來實現串口服務器功能，故其頭文件中要包含前文所述的各函數文件。程序流程如圖6所示。

main（）函數應用Linux C函數編程，其中應尤其注意socket的應用，socket要先建立再bind（）；在信號量中的參數要配置正確；進程的管理方面，要注意進程退出時先退出子進程，在所有進程都完成之后再關閉socket.