嵌入式串口服务器的设计与实现-毕业论文.pdf

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1、0 宝未交V7戤謦N硕士学位论文嵌入式串口服务器的设计与实现A nE m b e d d e dS e r i a lS e r v e l+作者：乍毅导师：陈连帅北京交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作肯完全了解北京交通大学有关保留、f m 川学位I 仑文朐规定。特授权北京交通犬学可以将学位论文的全部或部分内容编入仃关数据库进行检索提供阅览服务并采用影印、缩印或扫描等复制手段倮存、汇编以供查蒯和借阅。同意学校向固家有关部门或机构送交论文的复E 件和磁髓。(保密的学位论文在解密后适用本授权税i 7 J)学他论文作者签名导师签名档字n 埘：o l-F6；l Y f f l筘字 l 埘：训

2、年6H z，石I It p 嗤分娄号：T N 9 150 5干经代码：1 0 0 0 4密衄公开北京交通大学硕上学位沦文嵌入式串口服务器的殴计与实现A nE m b e d d e dS e r i a IS e l e l作者姓名：李毅导师姓名：陈连坤学位类别：r 学硕士学科专业：计算机科学与技术学号：1 0 1 2 0 4 8 0l|；称：剐教授学位级别：硕J 研究力向：嵌入式系统北京交通人学致谢本论文的工作是在我的导师陈连坤敦授的悉心指导下完成的，无论是n 学习上还是生活j 二，陈连坤教授都给予丁我很大的关心干帮助。他严谨的f f 学态度、科学的工作方法、=#富的实践经验给了我极大的影响

3、；对十我的科研工作和论文，他言传身教，提出了许多的：k 贵意见。在此衷心感谢两年束陈连坤老师对我的关心和指导。感谢计算机基础教学基地以及基地的老师们，感谢他们所提供的良好的实验室环境和实验室设备以及在学习、科研工作r f l 的关心和支持。还要感谢腾飞扬、安羽、林宜等同学f I：我学习生活中的点特与帮助在此|f】他们表达我的感激之情。另外也要感谢我的家人，感谢他们的理解和支持使我能够在学校号心完成学业。世噩窑坦厶=；兰亟噬主位睦奎虫奎摘垩中文摘要摘要：随着阿绍技术的发艘r B 子系统巾各科；设备的网络化、I P 化成为主要的发腱趋势。这样大量使用R S 2 3 2 或R S 一4 8 5 通信

4、标准进行通信井1 1 只具有串行接门的传感器、检测器等设备就l f i i l 7 i i 若升级改造的问题。嵌入式串口服务器则给出了这一问题的良好解决方案。本文啦计实现的嵌入式串口服务器在硬件上以新型的3 2 位微控制器S T M 3 2 为桩，t D,，m 软件卜以功能完善对硬件资源需求不高的丌源T C P I P 阱议栈L w l P 为基础，软硬件胁同设计，在保证系统性能的基础上达到了简化系统结构、降低系统成本的日的。本文首先在了解系统需求的丛础上给出了I 收入式串I l 服务器f f J 整体设计方案，然后以此为依据构建整个嵌入式系统并进行驱动程序的丌发肌而完成系统的硬件实现。接着在

5、完成的崾件系统卜移植L w l P 协议栈，搭建嵌入止串口服务器应用程序)r 发的肇本平台，虫现 B 行数据与T c P，l P 网络数据相互转换的核心助能，井进步利用m 泌栈，实现W e bS e r v e r、T e l n e t 服务器，为嵌入式串口服务器提供方便的管理接。最后，给“i 的J,J t l 方案验【|E7 嵌入式串口服务器的【_,IJ 4 j 性。关键词：串口服务器：L w l P 协议栈：S T M 3 2：嵌入式系统：咀太嗣：串口：分类号：T P 3 9 3 T P 3 6 8也豆窑迪厶芏亟 二U m!：!；主位睑童BsI 皇!A B S T R A C TA B

6、S T R A C T：W i t ht h ew i d e l yu s e do fT C P I Pa n dI n t e r n e tt e c h n o l o g y，p l e n t yo fe q u i p m e n t sh a v et h en e e dt oa c c e s s sn e t w o r k，b u tm o s to f t h e md on o th a v en e t w o r kI n t e r f a c ea n dc a nn o tb ec o n n e c t e dt ot h en e t w o r k

7、d i r e c t l yT h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds e r i a ls e r v e r i sJ u s t t os o l v e t h i sp r o b l e mT h ed e v i c ed e s i g n e d i n t h i sp a p e r i sb a s e do nS T M 3 2w i t hL w l PT C P I Ps t a c k tw h i c ha i m st os i m p l i f yt h es y s t e ms t r u c t u

8、 r ea n dr e d u c et h es y s t e mc o s t sb yh a r d w a r e-s o f t w a r ec o-d e s i g nI nt h i sp a p e r，a no v e r a l ld e s i g ni sp u tf o r w o r db a s e do nt h en e e df o rt h i ss y s t e mf i r s tT h e nt h eh a r d w a r eo fe n t i r es y s t e mi sb u i l du pm a dt h ed r i

9、 v e r sa r ep I o g r a m m e dA f t e rt h a t，L w l PT C P I Ps t a c kw h i c hp r o v i d e st h eb a s i cp l a t f o r mf o ra p p l i c a t i o nd e v e f o p m e n li sp o r t e dt ot h es y s t e ma n dt h ed a t ae o v e F i i o nb e t w e e nt h es e r i a lp o r ta n dt h eT C P I Pn e

10、t w o r ki si m p l e m e n t e dF u r i h e r m o r e，aw e bs e l v e ra n dat e l e n ts e l v e ra y ee s t a b l i s h e dl nt h es y s t e n nt h a tm a k e st h em a l l a n 凹i l q e n to ft h i sd e v i c em o r ec o n v i n i e n ta n de a s y A t l a s t，a Na p p l i c a t i o n t h a rp r

11、o v e s t h ea v a i l a b i l i t y o f t h i se q u i p m e n t i s g i v e nK E Y W O R D S：S T M 3 2：s e r i a lp o r t：e t h e m e t：e m b e d d e ds y s t e m：L w l P：C L A S S N 0：T P 3 9 3：丁P 3 6 8：些斑窑堑厶竺熊i。芏位适皇日建目录中文摘要l i iA B S T R A C Ti vl引言11 l课题研究背景及意义l12课题研究内容及目标213论文结构32嵌入式串口服务器整体方案蹬

12、计42l嵌入式串口服务器功能需求42ll 嵌入式串u 服务器的基本功能42 12 嵌入式串口服务器技术指标522嵌入式舛 I _】服务器方案概述53嵌入式f|口服务器硬件及驱动程序设计731嵌入式串口服务器硬件设计731I核心处理器模块设计83 I2 以太网模块设计93 I3 串口模块设计l l3 l4 供电模块设计l332嵌入式串t 川务器硬件驱动程序设汁1 332 jS T M 3 2 系统时钟配置l332 2U S A R T 驰动程序|笠汁1 4323E t h e m e l 驱动程序设训1 632 4F l a s h 驰动程序设计2 24嵌入式串口服务器T C P I P 怫c

13、义栈的移植2 34 1丌源T C P I P m 议栈2 342T C P I P 协议栈的选择2 443L w l P m 议栈简介2 444L w l P 波栈分衍2 544 1L w l P 的进程模型2 5442L w l P 的缓冲管理2 54 43L w l P 的内存管理2 744 4I P 模块2 7北噩g迪厶芏丝士生I i地窑H基4 45U D P 模块2 8446T c P 模块3 04 47L w l P 的网络接口3 245S T M 3 2；|L w l P c 义栈的移植3 35嵌入式串U 服舞器应用软件蹬计3 55 l阱议转换的软件殴计3 55 透明传输模式的软件

14、设计3 55 l2 脚议传输模式的软件发计3 652l 叫络服务应用程序设计3 85,21U D P 协议下传输程序没汁3 8522T C P 脚议F 传输程序设计4 0523 数掘收发处理程序设计4 353系统设鼹应用程序设汁4 353 l 系统设置流程4 3532 串口世胃程序设计4 45 33W e bS e r v e r 设置程序设计4 5534T e l n e t 没置程序蹬汁4 75 35 客户端殴置程序设计4 86嵌入式i j 口服务器应用方案5 16 l虚川实例简介5 16 2温度采集节点构程睁设计5 26 3l 碉络屯机的程序|殳讣5 26 4褴入j l=串1 3 服务器

15、的配置5 465实新i 应用效果5 47结论羊总结5 67 l本文成果5 672j：!一步改进方向霸l 设想5 6参_；辱文献5 7|；什求A5 9作昔简历独创性声明学位论文数_ 嘶：集6 36 4韭l L 至L 堑生匦芏位造立I l蛊1 引言1 课题研究背景及意义I br 系统在生产生活巾扮演着越柬越重要的角色，工业中的控制系统、监控系统带束了生产力的E 速提升，生活中的门禁系统、考勤系统、P O S 消费系统、医疗设番系统带米了生活的高效和便捷。这些电子系统通常山控制主机以f 5 乏各种各样数量繁多的传感器、检测器等设备纽成。在这些系统的运转中设备的运行控制和殴备的数掘传输是其中最重要的环

16、节，而这酶者都要依赖干殴备M 的互联通信。在各种屯子系统中，以R S 一2 3 2 和R S-4 8 5 为代表的串行通信方式困其易于实现和维护的特点得到广泛的应用。但是，伴随数字技术的快速发展，越束越多的传感器、检测器等设备投入到应用巾，|殳蔷削的互联要求变样越柬越高设备的网络化成为主要的发展趋抖，而传统的串行通信方，逐渐暴露出j E 传输速率低、传输距离近、网络化实现复杂的缺点。与此同时，I n t e r n e t 技术逐渐发展完善，T C P I P 网络迅速普及其宽带传输速率、嘲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 亍通信方式的首选改选方案。T C P I

17、P 网络可以满足设备网络化的需求，解决姬信方式的问题，但随之而柬的是各种殴备的网络接入问题。当前，拒生产生活中广泛使用的以串行通信标准进行通信的没备往往4 i 具备网络接口，将这些|殳备更换升缎，使之具有I 侧络接1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l I 通信足以满足需求，“有少量设备需要进行网络化的环境F，把所有设备进行升级也是种浪费。S,I 此通过外部模块或殴备利用现有的通信接【】米实现网络接入的嵌入式f#u 服务器町以J J 殳为一种良好的解决方案。嵌入式串口服务器的：要岫能足宴现i#行通信协议和T C P I P 悱议的柏且转换。嵌入式；B 口服务器端与设备

18、相连，一端接入网络。方i f【i，没蔷通过串行通信协议发送的数槲经过嵌八式f I 服务器的处理发送茔l J 网络j：指；芷地n I：的t机：玎【n 1 接八哪络的：=机通过T C P I Pm l 义发送的控制命令或数槲经过嵌入式小服务器的处理转发到世箭t 1 1，从听实现设符接八T C P I PH 络。嵌入书I 服务器的模块惟既l，T 以减少埘原=f 系统的改动，问时义具有干“1 大的父活性，呵以H 针对需要网络化的部分扳需升级从而以较低的成奉实现设备的网络化升级。：世盛窒坦厶堂巫芏位睦堑I l言当前，嵌入式串口服务器的解决方案主要有以下几利，。(1)A R M+网络控制器芯片I I核心处

19、理器多采用A R M 7 或A R M 9 网络控制器芯片采用D M 9 0 0 0、R T L S 0 1 9等产t 拈。软件上可以使川L i n u x 或p C l i n u x 操作系统，由I：操作系统内部包含完整的T C P I P 协议栈，闪此统软件丌发相对容易。但是L h 于软件对硬件资源的需求，系统需型对S R A M 和F L A S H 进行扩展，这在一定程度上增加了系统复杂度。此种方案是大多嵌入式串口服务器厂商采用的方案。(2)睢片机+网络控制芯片吲通常采州5 I 内核的单片机(如S T C、A t m e 单片机)为核心，辅以R T L 8 0 1 9等刚络控制芯片。

20、l I I 于单计机本身硬件资源的限制，系统需要时存储器进行外部扩展川时软件L 需要移植T C P I P 协议栈。此种方案无论在硬件丌发还是在软件肝发上部比较复杂，同时在性能上【i；l 有定局限，但是系统的成本报低。(3)单芯片硬件脚议栈方案【I陵方案巾T C P I P 协I 义栈采用硬1 1 一方案，并与核心控制芯片、网络控制器集成到一块芯片上整个系统被大大简化稳定陛可靠性得到j 曾强丌发难度也被降低，但是采用硬件解决方案的成本最高。对比以L 解决方案，单芯片硬件协议栈方案无论从性能、系统复杂度还是丌技难度上都具有优势，但足成本相对较高，有悖f 降低设备升级成本的目标，难以得到大范围的应

21、用：A R M+网络控制器芯片的解决方案在性能上和成本上都比较折中。也得到了晟广泛的应刚，但是此方案在系统的复杂度和成本上都有进一步提高的空问：而单片8 L+网络控制芯片的方案在成本。具有堆明显的优计但是在系统复杂度、丌发难易程度以及系统稳定性上都有定缺陷。综台以 _ L f l 方案，如果能够在保证系统性能的基础L 进一步降低系统复杂程度和成本将型有利于嵌入j I=串lI 服务器在L 产生活c p 的应川。木文将以此为目的腱丌l 寸论。2 课题研究内容及目标本课题总的L 7 杯是没汁实现个嵌入式串L 暇务器，使之媳蔷完善的基本功能、良好的系统性能、简-n 的系统结构以及较低呐实现成水。本沦文

22、主婴下作包括：(研究嵌入式串口服务器的总体方案驶结构使之能够满足性能、结构以及成本上的需求：(2)嵌入式串口服务器的硬件设计及实现。根据确立的总体实现方案完成嵌入式串u 服务器的硬件殴n 包括电路原理圈的绘制、P C B 版圈的绘制。进行电路的焊接、调试；(3)嵌入式串口服务器的软件设计及实现。根据系统的功能需求设计系统的整体软件结构，针对硬件资源完成底层驰动程序，移植T C P I P 浒议栈，在此基础匕完成主班服务功能程序的编写和基本设霄程序的编写；(4)嵌入式串口服务器的应川示范。针对嵌入式串口服务器的基本功能给出螭本麻用1 例。l3 论文结构|仑文的第章绪论阐述了限八式串口服务器的应用

23、背景、基奉功能和当前研究现状，总结了现有解决方案的特点，提出了可以改进的方向，依此给出本文的研究目标和研究内容。第一二章捕述了嵌入式串】服务器的基本功能需求，井以此需求为日标，进一步讨论现有方案的优缺点，在此基础上给出嵌入式串口服务器的整体设i r 方案，包括硬件结构、硬件选型以及软件方案。第三章完成嵌入式串口服务器的硬件及驰动程序设计，根据所选硬件，完成桉心处理器模块、网络接n 模块、R S 一2 3 2 接口模块、洪电模块的硬件设计。_ j f=在此基础上完成硬件驱动程序的设计。第四章讨论嵌入式串 5 1 服务器中T C P I P 协议栈的移植。对现有丌源T C P I P协议栈进行简单

24、分析和总结，并根据嵌入式系统自身特点和 龊入式串口服务器的 E 本需求选择合适的协议栈。在对协议栈结构和F 作过程的肇础卜完成T C P I P|办议栈的移植。第“章是嵌入式串E l 服务器应用软件的设计实现，其巾包括嵌入武串口服务器两种：作模式(透明传输模式和|办议传输模式)的坫本处理框架的蹬实现，T C P 饥议和U D P 协议F 的服务端及客广端的实现，以发系统设簧程序的没计实现。靖六章则展示了嵌入式串口服务器在模拟的温度采集现场中的具体应用。温度传感器甫点通过嵌入式串u 服务器搂入局域网与州路J 机P C 组成了个简单的网络，实现了只具有串行接口的温度采集节点设备通过T C P I

25、P 网络进行数据传输及接受控捌的|标。壕后的第七章对本文I 作做丁总结，片提m 进一步改进l：|J 山向。：也立窑迪厶芏堕l：鲎位监塞丛式!B 邕壁盘盟坚蛙直至越吐2 嵌入式串口服务器整体方案设计本章首先拙述了嵌入式串口服务器的工作机制和功能，提出了嵌入式串口服务器的堆本技术指标，并以此为基本要求，对嵌入式串口服务器的各种实现方案进行讨沦，片确定f 收入式串口服务器的整体设计。2】嵌入式串口服务器功能需求2ll嵌入式串口服务器的基本功能嵌入式串口服务器的主要功能是使现有不具备网络接l，l 的设备具有接入网络的能力，其基本工作形式如图2l 所示。嵌入式串u 服务器一端与设备连接，一端接入网络(局

26、域蚓或I n t e r n e t)，串口数据流经过其处理转换后以T C P I P 坼议格式转发到网络上，M 络中传输过来的数据经过其处卫I!后转换成串口数据流发送给i 5 舒。吲2ll 扯八式串口服务器麻川示惫出韭L 窒生丛岜舅L j 生也监童堂拭圭旦腿盘蟹整住直基业本文中所设计实现的嵌入式串口服务器将具有如下功能_ 接收串口数据并将其转换为T C P I P 协议格式，发往指定I P 地址的主机：_ 崎听刚络端口接收网络数据帧，从网络数据中扶取数据t j f=通过串口发送给改备；串口的传输参数可以设置，包括波特率、数据位、停止位和校验位：州络接口参数可以设置，其中包括I P 地址、子网

27、掩码、网芙；日标主机的1 P、端口可以设置；系统参数的配置信息在系统启动时通过串口发送：系统参数的设置可以通过多种方式实现，包括串口、T e l n e t、网页、P c 客。端传输没(T C P U D P)可选，工作模式(S e r v e r C l i e n t)可选：串口具有两种传输形式：透明传输和阱议传输。2I2 嵌入式串口服务器技术指标本文中所|殳汁实现的嵌入，U#口服务器的技术指标如F：_ T C P I P 嫂栈：支持I P、I C M P、A R P、T C P、U D P、D H C P、H t t p、T e l n e t以太网口：1 0 M 1 0 0 M 自适应、R J 4 5 接口：串行口：R S 一2 3 2f 乜平、D B 9 接l】：_ 波特率2 4 0 0 b p s 1 1 5 2 0 0 b p s：数捌为7 或8b l t：-停i I：位1、2b lc；-芷持奇偶枝验，尢流控；信吼R x、T x：5 V 或9 V D C，电流 桃频()音频)多姚体()毙他)推荐格式：a p p l i c a l i o l v m s w o r d：a p p l i c a t i o n 佑d f【b 于版论文山版(芷布)肯l U 于版论文出版(发布)地权限卢明论文总贞数共3 3 项其中带为必填数据为2 2 项。