基于ARM-Linux的Modbus串口服务器设计

随着互联网的迅猛发展，在使用计算机进行网络互联的同时，各种家电设备、仪器仪表以及工业生产中的数据采集和控制设备也在逐步地走向网络化，以便共享网络资源。所以，在电子设备日趋网络化的今天，利用串口服务器来实现网络通信具有十分重要的意义。利用基于TCP/IP的串口数据流传输的实现来控制管理设备，无需投资大量的人力、物力即可完成对传统设备的管理、更换或者升级。

　　串口服务器的功能

　　串口服务器是一种通信协议转换器，它设有两类通信端口：一类是标准的RS232/422/485格式的串行端口，远程的RTU（远程终端设备）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。

　　串口服务器在工作中可自动将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，将其转换为TCP/IP格式的数据，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，通过解包来解析出有效的控制信息，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RTU.

　　硬件平台

　　此系统的硬件平台如图1所示，它是以AT91RM9200芯片构建的Multibus-CPU开发板。MultiBus-CPU系统是基于AT91RM9200微控制器的智能化多总线测控系统，该系统可以建立基于Modbus-RTU总线协议的总线通信，使系统设备可以无缝地接入到基于Modbus-RTU模式的总线系统，以及可靠、实时并准确地完成工业现场的数据采集和信号输出等功能。系统支持Modbus-RTU协议，同时，系统还支持多种总线通信，包括RS485总线，工业以太网（UDP协议），串口RS232通信接口和USB通信接口。

图1:CPU模块原理图。

　　软件平台

　　本设计采用嵌入式Linux作为操作系统。ARM上的Linux的主要优势：可扩展的完整操作系统提供了可靠的多任务环境，基于开源模型（GPL），利用多种UNIX和开源应用程序以及用于基于ARM技术的多种设计（包括网络和无线领域）。

　　Modbus协议

　　Modbus协议是应用于电子控制器的一种通信语言。利用这个协议，控制器相互之间以及控制器通过网络（例如以太网）和其他设备之间进行通信。

　　主流的Modbus协议为标准Modbus协议（Modbus RTU协议）和Modbus TCP协议。标准的Modbus通信协议定义了报文帧的每一字节，定义了怎样将数据打包成报文帧以及如何解码。报文帧包括一个字节的地址码，一个字节的功能码，数据和两个字节的校验码。其中，校验码采用CRC校验。

　　Modbus TCP协议是在标准Modbus协议的基础上进一步发展而来的。它是将Modbus协议嵌入到底层TCP/IP协议中构成的，这样就在TCP/IP的以太网上实现了客户机-服务器架构的Modbus报文通信。二者的数据帧结构如图2所示。

图2：标准Modbus与Modbus_TCP数据帧结构对比。

　　分析Modbus TCP协议和RTU协议，可以非常清楚地看出两者的主要区别。与Modbus RTU协议相比，Modbus TCP数据帧里已不再有CRC校验，而这部分校验的任务是由TCP/IP协议和以太网的链路层来完成的。另外，Modbus TCP较标准的Modbus协议还加入了一个MBAP报文头，由它来解释说明Modbus的参数和功能。其他部分两者可以互相通用。如果TCP协议转换为RTU协议，那么，只需要把TCP协议MBAP头中的"单元标识域"和后续字节组成一帧，再加上此帧的CRC校验就可以组成RTU协议，而在串行链路上进行发送。如果是RTU协议转换到TCP协议的话，那么要根据实际情况组建一个MBAP头。

　　获取配置信息GetConfigValue功能的设计与实现

　　在设计串口服务器之前，首先要配置相应的设备号并给设备配置相应的串口服务器IP地址、TCP通信端口号和串口参数等，这些配置信息放在一个txt文件当中。

　　我们设计了一个Configinfo.txt文件，当我们需要向一个设备传递信息时，需要首先从文件中读取配置信息，对相应的串口及工控板的网络进行配置，然后再进行相应的操作。这时，我们在其中用到了两个自定义函数：GetConfigValue和GetCFGValue.其中GetConfigValue的功能是将Configinfo.txt中的信息配置给串口服务器，它调用GetCFGValue函数，在Configinfo.txt中寻找相应的配置信息项，并截取相应的配置信息。它们的程序框图如图3（a）和3（b）所示。

图3:GetConfigValue函数程序流程图（a）和GetCFGValue函数程序流程图（b）。

　　串口操作函数封装的设计与实现

在对串口进行相应的操作时，首先要打开串口并配置串口的波特率、数据位、停止位和工作模式等。这些关于串口的操作都封装在一个文件当中，以使结构清晰，方便检