一種低成本串口服務器的設計

閭 軍，咸愛國

(1.國電南瑞科技股份有限公司 江蘇 南京 210044；2.南京東大智能化系統有限公司 江蘇 南京 210042)

一種低成本串口服務器的設計

閭 軍1，咸愛國2

(1.國電南瑞科技股份有限公司 江蘇 南京 210044；2.南京東大智能化系統有限公司 江蘇 南京 210042)

文中設計了一種基于STC12LE5A60S2的低成本串口服務器，該串口服務器集成了RS232和RS485總線接口，能夠實現串口數據的以太網轉發。本文首先介紹了串口服務器使用的前提條件，然后介紹了串口服務器的總體架構、硬件設計、軟件設計和配置軟件的設計，最后對其實用性做了總結和說明。

STC12LE5A60S2；串口服務器；W5200；RS485

隨著網絡通信的發展，特別是以其傳輸速度快、通信距離遠和丟包率低等優點，越來越多的用于各種場合的數據傳輸[1]。然而在工業控制中，例如智能照明、樓宇控制和能源計量等場合，很多設備還是通過RS232或RS485總線進行數據的傳輸，這些設備由于其數據傳輸的局限性，無法直接將數據傳輸給遠程服務器。為了能將這些設備的數據傳輸給遠程服務器，本文設計了一種基于STC12LE5A60S2的低成本串口服務器，將串口數據經以太網發出，實現不同通訊方式數據格式的轉換，從而完成本地串口與遠程服務器之間的數據交換。

1 串口服務器的總體設計

串口服務器的總體結構如圖1所示。該串口服務器包含1路RS232接口、1路RS485接口和1個10M/100M自適應的以太網接口，其中以太網接口具有2個端口（Socket），1個端口用于配置串口服務器的相關信息，另一個端口用于與遠程服務器通信。由于應用于工業控制場合，為提高串口服務器的抗干擾能力，同時為避免雷擊等因素對設備造成的損壞，本文選用的RS232和RS485芯片都采用插拔式的隔離收發模塊[2]。用戶在使用前，可通過上位機軟件設置串口服務器串口和網口的相關信息，這些設置信息將會保存在存儲電路中。設置完相關信息后將串口服務器的相關接口與現場設備相連接即可實現串口數據到以太網數據的轉發。

圖1 串口服務器的總體結構圖Fig. 1 Structure diagram of the serial port server

2 串口服務器的硬件設計

串口服務器主要由STC12LE5A60S2、網口電路、RS485隔離電路、RS232隔離電路和存儲電路等組成。STC12LE5A60S2是一款高速、低功耗、超強抗干擾的新一代增強型8051單片機，其主要性能如下[3]：

1 )高速：1個時鐘/機器周期，速度比普通8051單片機快8-10倍；2)雙串口：比普通8051單片機多出一個串口；3)超強抗干擾：可輕松過2萬伏靜電測試和4K快速脈沖干擾；4)低功耗：正常工作時功耗為2.7mA-7mA；5)內部集成高速SPI接口：可與其他集成SPI接口的芯片通信。

網口電路如圖2所示，主要由W5200和對應的外圍電路構成。W5200是一款硬件TCP/IP協議的網絡控制器，STC12LE5A60S2通過SPI接口即可控制Internet網絡連接。W5200的 硬 件 TCP/IP協 議 能 夠 支 持 TCP、UDP、IPv4、ICMP、APP、IGMP和PPPoE，同時W5200支持8個獨立的端口（Socket）同時工作[4]。串口服務器使用了W5200的2個端口，端口1作為串口服務器的配置端口，用于連接配置軟件來配置串口服務器中串口的波特率、數據位、停止位等串口信息以及端口2的網絡通信的模式、IP地址、子網掩碼、網關等信息；端口2則主要用于與遠程服務器之間的數據交換。

圖2 網絡電路圖Fig. 2 Circuit diagram of the network

為了保證串口服務器能夠在工業環境下穩定工作，避免雷擊、強電等對串口服務器造成的損壞，RS485電路和RS232電路都采用插拔式的隔離收發模塊。隔離收發模塊選用金升陽的TD301D485H和TD301D232H，它們的傳輸速率為0～115.2 Kbps、隔離電壓可達2 500 VDC[5]。這里STC12LE5A60S2的串口1與TD301D485H相連，串口2與TD301D232H相連，無需其他保護電路即可實現對串口服務器的隔離保護。

存儲電路由CAT24WC02構成，存儲電路與STC12LE5A60S2的連接電路如圖3所示。CAT24WC02是一個2K的串行CMOS EEPROM，其工作電壓為1.8～6 V，可保存數據達100年[6]。CAT24WC02主要存儲串口波特率、網絡端口2的工作模式、IP地址、子網掩碼、網關等信息。

圖3 存儲電路與STC12LE5A60S2連接電路圖Fig. 3 Circuit diagram between storage circuit and STC12LE5A60S2

3 串口服務器的軟件設計

串口服務器的軟件主要包括設備初始化程序、配置信息子程序、存儲信息子程序、串口接收轉發子程序和網口接收處理子程序等，其總體程序流程圖如圖4所示。

圖4 總體程序流程圖Fig. 4 Flow chart of the software design

串口服務器的W5200端口1工作于TCP服務器模式，IP地址為：192.168.1.250，子網掩碼為：255.255.255.0，網關為：192.168.1.1，端口號為:12000。其主要用于通過配置軟件對串口服務器進行相關配置，其對應的IP地址、子網掩碼、網關和端口號不可更改。

串口服務器的W5200端口2用于與遠程服務器進行通信，需要對該端口的工作模式、本機IP、子網掩碼、網關、本機端口號、目的IP和目的端口號進行設置。串口服務器的初始設置如下：轉發RS485接收到的數據，串口波特率為9.6 kbps；以太網口2工作于TCP客戶端模式，本機IP地址為：192.168.1.250，子網掩碼為：255.255.255.0，網關為：192.168.1.1，本機端口號為：12000，目的IP為：192.168.1.243，目的端口號為:12000。用戶根據實際的需求通過配置軟件對上述信息進行配置后即可實現串口數據與遠程服務器之間的數據交換。

4 配置軟件

串口服務器的配置軟件采用Qt開發，主要實現對串口服務器轉發串口的選擇、串口波特率、以太網口2的工作模式、本機IP、子網掩碼、網關、本機端口號、目的IP和目的端口號進行配置，配置軟件的界面如圖5所示。

圖5 串口服務器配置工具Fig. 5 Configuration tool of the serial port server

5 結束語

文中詳細介紹了基于STC12LE5A60S2的低成本串口服務器的軟、硬件設計以及上位機配置軟件。由于STC12LE5A60S2功能上完全滿足串口服務器的需求，同時價格較為低廉，很大程度上降低了串口服務器的成本。在能源計量的數據轉發測試中，輕松實現了將采用dlt645規約的智能電表數據轉發到遠程服務器，并將遠程服務器的下發命令轉發給智能電表。該串口服務器能很好地應用于樓宇控制、智能照明和能源計量等串口數據轉發的場合，實現串行設備遠程數據的傳輸。

[1] 袁航空,張勁松.基于CS6209的串口服務器/交換機設計研究[J].電視技術,2013,37(3):78-81.

YUAN Hang-kong,ZHANG Jin-song.Study of serial port server/switch based on CS6209[J]. Video Engineering,2013,37(3):78-81.

[2] 王小軼,武少飛.基于ARM的以太網串口服務器研究與開發[J].科技風,2013(2):33.

WANG Xiao-yi,WU Shao-fei.Study of serial port server of ethernet based on ARM[J].Technology Trend,2013(2):33.

[3] MCU Memory. STC12C5A60S2 DataSheet[EB/OL].[2013-06-27].http://pan.baidu.com/share/link?shareid=1613112633&uk=3574 456108&fid=2521770414.

[4] WIZnet.iEthernet W5200 DataSheet[EB/OL]. [2013-07-12].http://www.wiznet.co.kr/sub_modules/en/library/Download.asp/W5200 DataSheet.

[5] MORNSUN.集成隔離電源RS485收發模塊[EB/OL]. [2012-10-18].http://www.21ic.com/customery/MORNSON/activity/document/pdf7/TD_D485H_CN.pdf.

[6] 鄭鋒,王巧芝.51單片機應用系統典型模塊開發大全[M].北京:中國鐵道出版社,2010.

[7] 王颯，黃若偉，伍俊，等. IEC 60870-5-104規約與IEC61850互相轉換通信網關的研究[J]. 陜西電力，2013（10）：76-79.

WANG Sa,HUANG Ruo-wei,WU Jun.Research on communication gateway conversion between IEC 60870-5-104 and IEC 61850 protocol [J]. Shaanxi Electric Power，2013（10）：76-79.

Design of a low-cost serial server

LV Jun1, XIAN Ai-guo2
（1.NARI Technology Development Co.,Ltd.,Nanjing 210044, China；2.SEU INTEL.SYST., Nanjing 210042, China）

This paper described the design of a lower cost serial server based on STC12LE5A60S2, the serial port server integrated RS232 and RS485 bus interface, can realize the serial data to Ethernet forwarding. This paper first introduced the precondition of serial server to use, and then introduced the architecture of the serial port server, the design of hardware, the design of software and the design of configuration software, the practicability is summarized and illustrated.

STC12LE5A60S2; serial port server; W5200; RS485

TN836

A

1674-6236(2014)14-0190-03

2013–10–11 稿件編號：201310051

閭 軍(1986—)，男，江蘇泰州人，碩士。研究方向：智能儀器、軌道交通。