基于LPC2103的串口服务器设计与实现

【摘要】为了将具有串口功能的设备适应物联网技术的要求，提出了一种基于LPC2103的串口服务器的设计方法。先从物理接口机制方面对串口服务器进行了概述，然后从系统硬件和软件两方面对基于LPC2103的串口服务器进行了详细的设计，最后对该串口服务器进行了测试。实验发现，基于LPC2103的串口服务器设计具有嵌入式产品的特点，满足物联网络应用要求，为串口服务器设计提供了一种设计方法。

【关键词】串口服务器；LPC2103；物联网；TCP/IP

1.引言

物联网是新一代信息技术的重要组成部分。其英文名称是“The Internet of things”。由此，顾名思义，“物联网就是物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。因此，物联网的定义是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

电子系统在生产生活中扮演着越来越重要的角色，工业中的控制系统、监控系统带来了生产力的飞速提升，生活中的门禁系统、考勤系统、POS消费系统、医疗设备系统带来了生活的高效和便捷。这些电子系统通常由控制主机以及各各样数量繁多的传感器、检测器等设备组成。在这些系统的运转中，设备的运行控制和设备间的数据传输是其中最重要的环节，而这两者都要依赖于设备间的互联通信。在各种电子系统中，以RS-232和RS-485为代表的串行通信方式因其易于实现和维护的特点得到广泛的应用。但是，伴随物联网技术和数字技术的快速发展，越来越多的传感器、检测器等设备投入到应用中，设备间的互联要求变得越来越高，设备的网络化成为主要的发展趋势，而传统的串行通信方式逐渐暴露出其传输速率低、传输距离近、网络化实现复杂的缺点。与此同时，Internet技术逐渐发展完善，TCP/IP网络迅速普及，其宽带传输速率、网络接入后的无限传输距离以及成熟的现有网络等特点使之成为升级串行通信方式的首选改造方案。当前，在生产生活中广泛使用的以串行通信标准进行通信的设备往往不具备网络接口，将这些设备更换升级，使之具有网络接口会耗费大量的人力、物力、财力，产生巨大的改造成本；而在一些串口通信足以满足需求，只有少量设备需要进行网络化的环境下，把所有设备进行升级也是一种浪费。

因此如何通过外部模块或设备，利用现有的通信接口如何来实现联网，以适应物联网技术的要求是一个具有创新的理论及实践意义的课题。本文本文提出了一种以高性能微处理器ARM7TDMI-S芯片LPC2103和以太网控制芯片DM9000AE为核心的转换系统，把从串口（RS-232）中接收的数据数据通过以太网进行传输，达到了远程控制，远程通信的目的，提高了传输数据的抗干扰性，节省了更新换代成本

2.串口服务器设计

2.1 物理接口设计概述

串口服务器是一种通信协议转换器，它设有两类通信端口：一类是标准RS232/422/485格式的串行端口，远程的实时监控模块通过串行控制总线接入串口服务器的此类端口；另一类是RJ45以太网口，通过网线将串口服务器接入局域网的交换机等设备中，因上位监控机亦连入此局域网，故可对远程实时单元进行运行数据采集及实时控制。若局域网接入了路由器等设备，可实现广域网范围的远程监控。有的串口服务器以太网口数目为两个，这样通过自身的以太网口就可实现网络设备的互联，可以省去交换机等设备。串口服务器在工作中可自动的将RS232/422/485格式的串行数据与基于TCP/IP协议的以太网数据包进行透明转换。一方面，串口服务器收到来自某一串行端口的现场数据，端口号判断完毕后将其连同实时数据一并打入TCP/UDP数据包，加入报头地址通过以太网口进行网络上传；另一方面，串口服务器在局域网中捕获合法的数据协议包，通过解包解析出有效控制信息，通过监控机指定的串行端口将控制命令以串行数据的方式传送给远程实时控制单元。服务器模型如图1所示。

图1 串口服务器模型

2.2 系统硬件设计

本系统主要由三大模块组成，分别是由微处理器芯片LPC2103构成的MCU模块，由网口控制芯片DM9000AEP和含RI45和网络变压器的HR911105A的网口模块，由串口控制芯片MAX232与RS-232接口构成的串口模块。设备发送过来的信息通过串口模块之后，送入MCU进行处理，然后通过网口模块发送至以太网进行显示，如图2所示为服务器的系统设计框图。

图2 串口服务器系统框图

2.2.1 MCU模块

LPC2103是PHILIPS公司最新推出的基于ARM7TDMI-S、LQFP48封装的LPC2103，最高工作速度可达70MHz，32KB的片内FLASH程序存储器和8K的片内静态RAM。通过片内boot装载程序实现ISP/IAP编程。

LPC2103的10位A/D转换器提供8路模拟输入，低功耗实时时钟具有独立的电源和特定的32768HZ时钟输入，多达32个通用I/O口（可承受5V电压），可通过个别使能/禁止功能时钟分频来优化额外功耗。较小的封装和很低的功耗使LPC2103特别适用于访问控制和POS机等小型应用中；由于内置了宽范围的串行通信接口和8KB的片内SRAM，非常适合于通信网关和协议转换器的研制，在本串口服务器的设计中，MCU的设计如图3所示。

图3 串口服务器的MCU模块

2.2.2 串口模块

几乎所有的微控制器PC都提供串行接口，使用电子工业协会（EIA）推荐的RS-232-C标准RS-232-C是一种很常用的串行数据传输总线标准，采用的接口是3芯插头，通过3芯插头再连接到标准的9芯D型插座上。由于RS-232-C标准所定义的高低电平信号与lpc2103系统的LVTTL电路所定义的高低电平信号完全不同，所以，两者间要进行通信必须经过信号电平的转换目前常使用的电平转换芯片为MAX232。将MAX232的10，11脚分别接至LPC2103的13，14脚。具体设计如图4所示。

图4 串口通讯接口

2.2.3 网口模块

是一款高集成度且成本较低的单片快速以太网媒体介质访问层MAC控制器，上有通用处理器接口，10M/100M物理层和16KbyteSRAM，低功耗、高性能IO管脚兼容3.3/5.0V电压。DM9000AEP合成了以太网MAC、物理层PHY和MMU，内置AUTOMDI2X功能10/100MPHY，芯片可以根据处理器提供8/16/32bit3种连接方式实现以太网MAC层和PHY层的功能。

以太网变压器HR911105A主要包含了RJ45和网络变压器RJ45连接器俗称水晶头，就是连接网卡或HUB的那个透明的插头，是用来连接双绞线的两端RJ45是一种网络接口规范，类似的还有RJ11接口，就是平常所用的电话接口，用来连接电话线双绞线的两端必须都安装这种RJ45插头，以便插在网卡（NIC）集线器（Hub）或交换机（Switch）的RJ45接口上，进行网络通讯。网络模块设计如图5所示。

图5 DM9000AE构成的以太网控制电路

2.2.4 下载口模块

本系统设计中采用10针的JTAG接口作为下载口，如表1接口的管脚和lpc2103的管脚相连接。

表1 JTAG接口与LPC2103的管脚对应

JTAG LPC2103

管脚号 名称 管脚号

3 nTRST 8

4 TDI 15

5 TMS 9

6 TCK 10

7 RTCK 26

8 TDO 16

3.系统软件设计

本系统要实现UDP/IP通信，还要实现和串换数据，若用一般的前后台系统，设计起来将是相当复杂，而且性能也要受到影响。因此，在设计中采用了嵌入式操作系统，把需要实现的各种功能分解成一个个独立的任务，按照任务的优先级，使各个任务独占CPU来运行。任务之间通过信号量、消息队列、邮箱等进行通信，这样既保证了系统的实时性，又简化了实现的难度。又简化了实现的难度。

串口服务器的软件系统完成的功能主要有：进行硬件初始化，包括对网络接口芯片DM9000AE和主控芯片LPC2103的进行初始化、参数配置；协议透明转换，完成串行数据与以太网数据的相互转换；通过LED进行工作状态指示。具体的软件流程图如图6所示。

图6 软件流程图

图7 系统测试示意图

4.实验

在本系统设计中，发送收发数据按照事先约定的协议“开始码+数据长度+类型+数据+结束码”的数据格式进行数据的收发，开始前用UDP网络调试工具，勾上按十六进制发送即网络和串口数据双向发送了。实验发现，网络向串口发和串口向网络发数据均正常，从而验证了本设计的正确性，测试如图7所示。

5.结论

通过本系统的研究表明，串口和网口的通信正常，实时性和稳定性都实现得较好，并且硬件电路制作简单，功耗较低，工作稳定。本系统串口服务器可以进行串口和网口的通信，可以通过以太网远程管理串口设备，也可以把串口设备返回的数据封装成IP数据包，然后通过网口传输至网络中，实时地显示串口设备的工作状态。由于串口服务器具有使用方便、组网便捷、投资经济等优点，是用以实现以太网数据通信的最佳产品选择，将在工业自动化、医疗设备网络监测、智能楼宇、通信和交通等领域有着广泛的应用。

参考文献

[1]任哲.嵌入式实时操作系统C/OS-II原理及应用（第2版）[M].北京：北京航空航天大学出版社.

[2]徐爱钧.IAR EWARM V5嵌入式系统应用编程与开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

注：本课题来源于2012年上海市大学生创新创业训练计划项目“基于物联网技术的串口服务器设计”（项目编号：SH201210252045）。