基于CH579的高速串口服务器.pdf

2024 年第 2 期仪 表 技 术 与 传 感 器Instrument Technique and Sensor基金项目:山西省基础研究计划资助项目(20210302124198,20210302124558)收稿日期:2023-06-09基于 CH579 的高速串口服务器倪子威1,马游春1,郭 鑫2,王 晨11.中北大学,电子测试技术国家重点实验室;2.中北大学信息与通信工程学院 摘要:针对目前的串口到网口数据透传模块存在传输速度慢、稳定性差、串口参数无法远程配置等问题,设计了一种基于 CH579 型号单片机的高速串口转以太网服务器。该系统通过采用串口八级FIFO 缓存方式提高数据传输速率,通过优化串口成帧机制降低丢包率从而提高系统稳定性,通过设计串口参数配置协议实现上位机对串口参数的远程配置。测试结果表明:系统进行透明传输时串口最高波特率能达到 5 Mbit/s,平均丢包率为 0.065 0%。因此该系统在提高串口波特率,提升系统稳定性和通用性上有明显改善。关键词:串口服务器;CH579;数据透传;以太网;高速中图分类号:TP336 文献标识码:AHigh-speed Serial Port Server Based on CH579NI Ziwei1,MA Youchun1,GUO Xin2,WANG Chen11.North University of China,National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology;2.School of Information and Communication Engineering,North University of ChinaAbstract:Aiming at the shortcomings of the current serial port to network port data transmission module,such as slow trans-mission speed,poor stability,remote configuration of serial port parameters,a high-speed serial port to Ethernet server based on CH579 single chip microcomputer was proposed.The serial port server improved the data transmission rate by adopting the eight-level FIFO cache of the serial port.By optimizing the frame mechanism of the serial port,the system stability was improved.The remote configuration of serial port parameters of the host computer can be realized by designing the serial port parameter configu-ration protocol.The test results show that the system can realize the transparent transmission of data from serial port to network port,the highest baud rate can reach 5Mbit/s,and the average packet loss rate is 0.065 0%.The system has obvious improve-ment in the improvement of serial port baud rate,stability and universality.Keywords:serial server;CH579;data transparent transmission;ethernet;high speed0 引言串行通讯方式广泛应用于数据采集、数据传输以及基站监测等领域,但串行设备存在着传输距离短、传输速率低、传输特性差等缺陷,而以太网凭借着成本低、传输速度快、通信距离远等优势,应用逐渐延伸到数据采集和传输等工业现场设备的通信中,因此设计传输速度快、稳定性高的串口服务器,使得串口设备连接入网实现对设备的远程访问,对提高传输速度和提升采集监测等实际应用的效率具有重要意义。近年来,对各种串口和网口数据透明传输模块也有众多研究。文献1-3采用 DSP+FPGA 作为主控模块设计数量可增减的串口与以太网交互通信系统,最大波特率为 115 200 bit/s,且功耗和设计成本较高;文献4采用 ARM+FPGA 作为硬件平台,设计重点在于提高串口数量,但设计繁琐,实用性差;文献5-10基于 ARM 设计的嵌入式串口服务器设计简单,系统性能较好,但速度方面没有提升;文献11设计的串口网口转换模块波特率最高可达 3 Mbit/s,速度显著提升,但波特率和其他串口参数以及以太网接收端 IP地址不可调,系统通用性比较差。基于以上研究,提出了基于 CH579 的高速串口服务器设计,在提高传输速率、提升系统稳定性、简化设计流程、降低成本方面有明显改善。1 总体方案设计高速串口服务器拥有串行接口和网络接口,分别接入串行通讯设备和以太网客户端,实现以太网客户端与串行通讯设备的双向数据传输12。总体设计方案如图 1 所示。32 仪 表 技 术 与 传 感 器第 2 期图 1 总体设计框图硬件平台选用 CH579 型号的 32 位 ARM 内核的单片机,自带高速 USB PHY 和 ETH PHY,内置 8 字节的 FIFO 先进先出缓冲器,支持 4 个 FIFO 触发级。分别对串口部分、网口部分、串口转网口部分和上位机部分进行设计。数据发送端串口设备给串口服务器发送数据,串口部分通过配置单片机内置的八级 FIFO降低中断的使用频率,从而提高数据接收效率。串口转网口部分通过主控单元用软件实现串口数据帧格式和以太网帧格式之间的转换,由上位机接收通过以太网发送的数据,同时定义串口参数配置协议使得上位机可以远程配置串口参数。2 关键技术研究2.1 基于八级 FIFO 缓冲器的串口接收方法为了提高串口通信的传输速率,硬件部分利用主控芯片内置的八级 FIFO 缓冲串口数据,以此来减少高波特率下数据收发的丢包率和误码率。软件部分需配置系统参数并优化数据收发方式。配置系统参数主要通过配置寄存器提高系统时钟频率从而提高波特率。波特率计算如式(1)所示。B=2F1V1161L(1)式中:B 为波特率,bit/s;F 为系统时钟频率,Hz,最大为 144 MHz;V 和 L 分别表示 R8_UARTx_DIV 和 R8_UARTx_DL,为预分频除数寄存器和波特率除数寄存器,都设置为 1。因此最高波特率可达 5 Mbit/s。通过优化数据收发方式来保证高波特率下系统稳定性,最大程度降低丢包率和误码率,主要通过采用接收数据触发中断 UART_II_RECV_RDY 和接收数据超时触发中断 UART_II_RECV_TOUT 来实现。首先设置触发点为4 字节来减少触发中断的次数从而减少 CPU 资源浪费,当接收 FIFO 中接收满 4 字节即产生接收数据中断,调用串口接收函数接收数据。当接收 FIFO 中至少有 1 字节的数据,并且从上一次串口接收到数据和从上一次被系统取走数据开始,已经等待了相当于接收4 个数据的时间时触发接收数据超时中断,此时可以从接收 FIFO 计数寄存器中查询当前FIFO 中剩余数据个数并读取。通过该方式提高了数据接收速率,同时利用串口的八级 FIFO 移位寄存器保证了数据接收的完整性,减少了丢数概率。2.2 基于乒乓缓存的串口数据缓存方法串口接收的数据要进行缓存以便主控模块对串口数据进行分帧处理。为了提高系统的工作效率,采用乒乓缓存技术缓存串口数据。其工作示意图如图 2所示。图 2 FIFO 乒乓缓存示意图乒乓缓存是一种双 FIFO 缓存机制13,该模块中FIFO1 用来保存前面已接收的数据,存满时读标志位拉高输出数据,同时将数据选择单元标志位 flag 拉高,使得 FIFO2 继续接收输入数据选择单元缓存的新数据,并将 FIFO1 写数据的地址指针置零以便下一次从FIFO1 的第零位开始写入。当 FIFO2 也存满时 flag 拉低,再次由 FIFO1 写数据,此时 FIFO2 用来读数据,并将 FIFO2 写数据的地址指针也置零,以此循环往复。在面对大数据量传输时采用这种双 FIFO 缓存机制可以不受缓存区空间的限制实现不间断缓存数据,避免瓶颈的产生。2.3 串口成帧机制为实现串口到以太网之间的无缝连接,需要将串口数据形式转化为以太网数据形式发送。主要涉及的关键技术为串口数据分帧技术,从数据包长度设计和数据包时间间隔设计两方面重点研究。2.3.1 数据包长度设计针对数据包长度设计,因串口波特率为 5 Mbit/s,以太网传输速率为 10 Mbit/s,传输速率不匹配会导致数据丢失,因此要设计合理大小的缓存区用来暂存数据使传输速率相对匹配。以太网数据帧结构包含7 个字段14,如表 1 所示。表 1 以太网数据包结构表字节前同步码SFD目的地址源地址长度类型数据与填充CRC71662461 5004 其中,数据与填充字段为 461 500 字节,因此通过以太网应用程序每次传输的最大数据量不超过1 500 字节15,从系统设计的稳定性角度考虑,在该模块中设定以太网传输的最大数据量为 1 024 字节。由42 第 2 期倪子威等:基于 CH579 的高速串口服务器 于串口数据按位并连续不断传输,所以在串口到网口转发器接收到 1 024 字节时需要将其打包发送,数据量超过 1 024 字节需多次发送,这样串口数据就可以转化为以数据帧为单位的形式发送出去。从系统的实时性和传输效率方面考虑,串口设备固定发送数据帧长度大于等于 1 024 字节时,固定转发帧长度的方式可以实现串口数据按数据帧单位转以太网发送。但是同一个串行接口设备所发送的数据帧可能存在多种长度。固定数据包长度会导致串口服务器的通用性差,因此在串口数据帧长度多变的情况下,可以通过数据包间隔时间来判断串口数据是否传输完毕。2.3.2 数据包时间间隔设计针对数据包时间间隔的判断,现有方案大多通过检测上升沿触发定时器中断的方式判断数据是否接收完毕,而在本设计中对该部分算法进行优化,通过比较两次进入定时器中断时接收到数据长度是否相等判断数据接收是否完毕,算法流程图如图 3 所示。图 3 定时器中断算法流程图由前文可知 flag 为双 FIFO 选择标志位,temp0 和temp2 定义为进入本次中断时 FIFO1 和 FIFO2 接收到数据的长度,temp1 和 temp3 定义为上一次进入中断时 FIFO1 和 FIFO2 接收到数据的长度。两次长度相等则调用以太网发送函数。定时器还需设置定时时间,因此需计算最小帧时间间隔,最小帧时间间隔公式为Tb=M/J1 000(2)式中:Tb为串口传输 1 字节所需的理论时间,ms;M 数据位,取 10;J 为串口通信的比特率,bit/s。由于系统时钟为40 MHz,Tb=0.25 s。为了时间间隔足够宽裕,设置每 2 ms 定时一次。CNT=NFsys/1 000(3)式中:CNT 为计数器初值;N 为定时时间,ms,Fsys为系统时钟频率,Hz。要配置定时器 TMR0 计数到 2 ms 进入一次中断,计数器初值应该设置为 80 000。2.4 UDP 协议以太网模块采用 UDP 模式收发数据,使用该模式只需要制定 IP 和端口号即可将数据发向对方,适用于发送的数据包小且发送频率较快的情况16。在该模式下,设置本机 IP 地址为 192.168.1.10,端口号为1000,目的 IP 地址由用户通过上位机输入。本系统主要通过 UDP 协议发送串口数据和接收上位机发送的配串口参数和上位机 IP 地址等数据。接收功能流程图如图 4 所示。图 4 UDP 接收数据2.5 上位机设计上位机界面包括串口参数配置界面和网口驱动配置界面。串口参数配置界面通过在串口服务器中和上位机中编写两者相互统一的协议格式和对应的参数设置程序实现修改串口波特率和位参数等信息,网口驱动配置界面用来设置上位机 IP 地址和端口号等信息,同时可以接收下位机网口端发送的数据。软件部分工作流程如图 5 所示。图 5 上位机工作流程图其中,将设置的参数按照表 2 协议转化为命令发送给串口服务器,服务器按照该格式解析后对串口参数进行设定。表 2 串口参数协议命令协议名称包头波特率位数参数5M,N,1,855 AA 554C 4B 4003 由表 2 可知,假如要设置串口波特率为 5 Mbit/s,校验位为 0,停止位 1 位,数据位 8 位,那么上位机应52 仪 表 技 术 与 传 感 器第 2 期该按照十六进制发送 55AA554C4B4003 给串口服务器,其中 55AA55 为固定的包头,后 3 位为波特率的十六进制数,03 对应的二进制数为 000011,分别表示无校验位、一位停止位和八位数据位。3 系统测试3.1 串口最高波特率和上位机远程配置测试通过前面对系统的串口模块理论分析,网口服务器的串口波特率可达 5 Mbit/s。在系统测试时,原始波特率为 115 200 bit/s,上位机串口参数配置界面修改波特率为 5 Mbit/s,数据位 8 位,停止位 1 位、无校验位,串口参数配置界面如图 6 所示。图 6 串口参数配置界面编写测试程序使系统串口 1 接收数据并转发出去,通过示波器可观察到串口 1 发送端波形如图 7 所示,每比特所用时间为 200 ns,验证了串口波特率可达5 Mbit/s,也验证了上位机对串口参数的远程配置功能。图 7 串口端示波器波形图3.2 数据透传功能测试为了验证不定长数据串口转网口数据透传功能,分别在数据发送端串口设备程序中编写串口循环发送 09 的自增数,在 5 Mbit/s 波特率下验证上位机网口配置界面接收数据情况。上位机 IP 址为 192.168.1.100,端口号为 1000。图 8 为数据透传结果图,由图8 可见上位机网口接收界面分别可以接收到 09 递增数据。同时,发送其他不定长数据都能够一一被接收,验证了不定长数据由串口到网口的透传功能。图 8 数据透传结果图3.3 工作时长和丢包率测试系统稳定性是系统测试中的重点,该部分从工作时长和丢包率以及误码率方面测试系统稳定性。在波特率为 5 Mbit/s 的情况下,使系统串口连续 21 h 不断接收 0255 的自增数据进行透传,通过抓包器软件查看数据透传是否丢包和丢数,如图 9 所示,上位机无差错地接收到串口发送端设备发送的 0FF 的 256个递增数。图 9 Wireshark 抓包结果图表 3 为系统丢包率测试结果。由表 3 可知系统透传过程中平均丢包率为 0.065 0%,21 h 连续透传不存在误码情况,在合理误差范围内系统能够可靠传输数据。62 第 2 期倪子威等:基于 CH579 的高速串口服务器 表 3 丢包率和误码率测试结果工作时长/h丢包率/%误码率/%10.063 5030.064 5060.065 0090.066 60120.065 20150.065 30180.065 10210.065 104 结束语基于 ARM-M0 内核的 CH579 单片机芯片设计的高速串口服务器充分利用了器件的内部资源(串口八级 FIFO 缓存和内置的 10 Mbit/s 收发器 PHY),通过配置系统时钟、优化串口数据接收方式、使用乒乓缓存方式、设计串口成帧机制,实现数据从串口到网口的高速透明传输。在此基础上,上位机远程配置串口参数和以太网接收端 IP 地址,实现串口设备高效灵活地接入以太网。参考文献:1 李鹏启,李娟亚,代波,等.一种基于 DSP+FPGA 的多路串口和以太网通信系统J.兵工自动化,2020,39(8):1-3.2 王庆贺,吴超,唐顺晨,等.基于 DSP 的以太网-RS422 通信转换器的设计与实现J.电子质量,2020,394(1):26-29.3 何凯彦,李维波,许智豪,等.基于双 CPU 的双以太网与双 RS-422 交互通信技术J.中国舰船研究,2020,15(3):177-184.4 徐巧玉,周新稳,王军委,等.一种 ARM+FPGA 的可裁剪以太网串口服务器设计J.河南科技大学学报(自然科学版),2018,39(6):24-29.5 王海勇.基于 ARM9 的嵌入式多串口服务器设计J.化工自动化及仪表,2022(3):372-376.6 余毅,苏淑靖.一种嵌入式多路以太网串口服务器设计J.电子设计工程,2023,31(2):141-145.7 蔡华锋,廖冬初,王小平,等.嵌入式以太网串口服务器设计J.湖北工业大学学报,2018,33(1):9-13.8 吴荣斌.基于 ARM9 的以太网串口服务器的设计与实现D.兰州:兰州交通大学,2014.9 曾广圣,曾维清,徐冉.一种基于 ARM 的以太网串口服务器的设计J.科技广场,2012(5):248-253.10 张峻豪,张晓龙,王聪,等.嵌入式以太网串口服务器设计与实现J.软件导刊,2021,20(9):123-129.11 陈晓锦,刘跃成,刘慧芳,等.高波特率网口与串口的转换模块设计J.单片机与嵌入式系统应用,2022,22(8):75-78.12 张洪强,张雪娜,程相文,等.数控机床 RS-232 串口转TCP/IP 网口技术研究J.现代制造程,2021(3):72-75.13 陈韶康,马游春,叶思楠.冲击波超压测试数据高速卸载系统的研究J.中国测试,2023,49(4):114-118.14 黄煊赫,姚晓东,齐亮.基于 LPWA 网络的海上风电结构健康数据采集系统J.仪表技术与传感器,2020(10):84-88.15 林伟锋,林培武,魏晓平,等.基于 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