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基于TCP/IP协议的串口通信服务器设计摘要：随着通信技术与自动控制技术的发展，现代工业发展的一个主要方向趋向于利用网络对设备进行远程控制。用户可以通过中心控制平台使得实时监控不同区域的系统变得很方便，这样不仅提高了工作效率，还使得多设备协同工作成为了可能。本文基于TC89C51单片机、ENC28J60以太网控制器和MAX3232CSE以太网接收器等芯片完成了基于TCP/IP 协议的串口通信服务器的设计。该设备能通过RS232与TCP/IP协议的转换，实现串口与以太网口之间的转换功能，且提供了RS-232终端串口与TCP/IP网络的数据双向透明传输、支持服务器和客户机模式，为传统串口设备通过标准 TCP/IP 协议接入 Internet 提供了一种低成本解决方案。关键字：TCP/IP协议; 串口通信；RS-232;TC89C51Design of a serial port communication sever based on the TCP/IP protocolAbstract：With the development of communication technology and automatic control technology, using the Internet to remote control devices have become a main direction of the development of the modern industry. Through the central control platform.users can easily to monitoring the system in different parts for real-time.it is a great convenience for long-distance equipment to work together. which greatly enhance the working efficiency. This paper designed a serial port communication server based on TCP/IP protocol with TC89C51 microcontroller ,ENC28J60 Ethernet controller and MAX3232CSE Ethernet receiver. The device can achieve serial port and Ethernet front-end ports between the conversion function through RS-232 and TCP/IP protocol conversion, and provides the RS-232 serial port terminal and the TCP/IP network two-way data transmission.Server and client mode are supported. It provides a low-coast solution for traditional serial-interfaced equipment to connect with the InternetKeywords:TCP/IP protocol; serial port communication; RS-232; TC89C51目 录第一章 引言31.1 研究背景与意义31.2通信服务器简介41.2.1通信服务器功能介绍51.2.2通信服务器的意义61.3通信服务器技术现状与发展趋势61.3.1 通信服务器技术现状61.3.2 通信服务器的发展趋势7第二章 TCPI/P协议简介82.1 TCP/IP通信协议的体系架构92.2 Socket 通信机制11第三章 需求分析与系统结构设计123.1 需求分析123.2 系统结构设计12第四章 系统设计144.1 硬件设计144.1.1 以太网接口144.1.2 控制电路164.2 软件设计18第五章总结与展望20致谢21参考文献22第1章 引言 1.1 研究背景与意义随着科学技术日益的进步，通信技术在日常生活中的作用越来越重要。高频无线电通信即短波通信，它被广泛应用于商业、机关、气象、军事等部门，因为它是一种机动灵活、普及性高的通信技术，可以用来传输不同形式的数据信息。利用短波来发射天线控制信号的技术已经很成熟了，这是因为它不仅在电离层传播中抗毁性很好，一般情况下传输介质不会受到损伤，稳定程度高；而且通信功耗少。将短波通信用在低功率的远距离通讯中，具有价格成本低、组网简单、建立台站灵活等优点，所以被广泛地使用。短波通信的通讯方式有很多的优点例如：通信设备简易、工作方式较灵活、价格低廉等特点1。设备接入网络是以面向Inemet为最终目标的，因此为了实现设备与Intemct间的无缝连接，可以通过设备直接连接hietmet的核心通信协议TCP/IP。没有中间环节是这个方案的最大优点，但在许多应用中还存在着很多问题。例如TCP/IP协议是一个十分复杂的通信协议，要使得TCP/IP协议在运行中得到充分的体现这需要很大的资源，例如一套高速的具有较大存储空间的CPU控制器，这必然使得设备的制造成本大大的增加了。还有给它分配一个固定的IP地址以达到在Intemet这个“电子神经”网络中找到设备的目的，但是IP地址资源是有限的而且很紧缺，如果某个单个设备就独占一个IP地址是很奢侈的。再者由于涉及的过程是直接面向TCP/IP协议的，因此开发人对TCP/IP协议要有很透彻的了解以及熟练的运用，这就带来了产品设计周期长等不利因素2。随着Internet 技术的广泛普及，不同领域的不同企业对“让设备联网”已经达成了共识，但是在工业控制和通信设备中，使用最多的是 RS232 标准的串行口设备。那么一个亟待解决的问题就是如何将多个串行口的数据转发到网络上，从而达到实现设备的远程控制、数据的远程传输的目的。与此同时，不得不考虑成本问题，所以不可能全部淘汰以往设备。因此，本文设计了一种基于 TCP/IP 的串口通信服务器。它能连接RS232 串口设备，并将串口数据进行选择和处理，把RS232 接口的数据流转化成以太网数据流，这样就可以进行网络化的数据处理，实现串行数据的网络化。1.2通信服务器简介通信服务器（Communication Server）作为一个独立的整体，它使得当前互联网中的长距离通信变得便捷，同样也方便了异地数据文件读取、访问。基于不同的软硬件性能，通信服务器可以同时为多台电脑提供通信功能。如图 1.1 所示3。图1-1 通信服务器1.2.1通信服务器功能介绍通信服务器可以被比喻为一个网络连接的桥梁，在实际中因其不同的作用不同而扮演着不同的角色，其主要用途有以下几点4：网关功能：实现用户与主机的连接，主要是通过转换数据格式、通信协议和电缆信号等方式。访问服务：作为“远程控制软件”的载体，它允许距离较远的用户经通过拨号进入网络。调制解调器：通过服务器提供的一组异步调制解调器来拨号访问远地系统、信息服务或其它资源。桥接器和路由器功能：通过自动选择路径实现不同网络之间的数据传。电子函件服务器：自动连接其它局域网或电子邮局，传递和收集电子邮件。1.2.2通信服务器的意义在现代化网络应用中，若干个分系统可以构成一个大型系统，并且这些分系统的地理位置相距较远。在传统的管理模式下，需要专业的维护人员对每个分系统进行操作，这样大大的浪费了人力和物力。且有些分系统地处偏远，很难实时有效的将信息完全传输过来，这会造成整个系统的协调运转的瘫痪。因此，为了使得传输给各个分系统的信息可以实时反馈给主系统，需要建立一个可靠的通信服务器来实现与各个分系统的组网。通过通信服务器也可以将主控中心的指令实时地分发到各个分系统。1.3通信服务器技术现状与发展趋势在现代工业控制网络中，无论是 B/S 或者 C/S 网络架构，通信服务器的作用都是必不可少的，它发挥着沟通桥梁的作用。利用互联网络，它可以按照需要为客户端提供各项数据运算和传输服务有效地集中管理整个网络系统5。1.3.1 通信服务器技术现状基于不同的通信对象，通信服务器可以分为以下三种6：(1) PC 服务器：大部分以个人电脑为硬件，软件设计主要是为了数据传递。(2) RISC/UNIX 服务器：简称精简指令系统服务器，采用 RISC 处理器芯片，具有超标量和流水线结构，时钟频率较低功耗很小，系统的可靠性很高。(3) 主机服务器：此类服务器工作模式一般是采用多个工控机并联，这样可以不仅可以完成多个分系统的集控，还能同步处理子系统的视频、音频、数据指令。这三类服务器都具有并行处理数据的机制、松耦合与紧耦合的组织结构，CPU 运行系统软件、使用程序、数据处理等都是由一个或多个专用处理器来完成。除了相同的性质之外，他们还具有各自的特性：(1) PC 服务器：这类服务器相对来说价格比较便宜，而且很容易开发，这就促使其在社会群体中的大规模应用。 一些大公司的PC服务器例如：Intel的 Pentium 和 Pentium Pro，IBM 的 Power PC 不仅可以作为小型通信中心还可以通过使用高性能处理芯片，来提高处理能力，使之像主机服务器的步伐迈进。随着高性能芯处理器的 SMP架构 PC 服务器不断的增长，传统的 PC 服务器已经不能对复杂数据进行运算与决策支持了。高性能的PC服务器在实用性、可扩展性、可读性方面也在不断增强，已经可以与 RISC/UNIX服务器相媲美了。(2) RISC/UNIX 服务器：RISC/UNIX 服务器采用的是高性能处理器 RISC 芯片，在 UNIX 操作系统上运行，具有RSSA 体系架构，因其平台是开放的而吸引很多的用户。用户购买 RISC/UNIX 服务器，可以根据自己系统的实际需要，来扩展相应的软硬件平台来满足专有需要。随着市场中Windows NT、Netware 等网络操作系统的流入，具有开源的 UNIX 操作系统会越来越受欢迎。目前，最新型号的 RISC/UNIX服务器支持多媒体数据类型，可以进行相应的视频图像处理7。(3) 主机服务器：主机服务器维护困难，价格昂贵。但现在仍受到商业、政府、军方各部门的青睐。主要原因在于无可比拟的数据处理能力、稳定性及安全性。主机服务器分为 SMP 与 MPP：SMP 是把存储器、操作系统和应用软件分布在多个处理器上，MPP 则是把这些集中在一起。相比之下，前者储存容量更大，但是需要访问总线来完成信息的交互，实时性差。而后者自成系统，使得 MPP 可以容纳多个服务器。1.3.2 通信服务器的发展趋势(1) 性能转移8随着大规模集成电路与网络技术的进步，通信服务器正向集成化、多功能化、微型化发展。如上文所说，采用更强大的微处理器，更高速的系统总线，更大容量的 ROM 与 RAM、更优化的软件平台与管理工具，势必会带来服务器性能的一次次革新。(2) 更为庞大的并行集中管理机制通信服务器的创造意图，主要是为了管理多台设备。现在主机服务器已经基本实现了这一目标。但是随着科学技术的发展，工业控制行业将出现更多种类、不同用途的数据信息。一些职能处理简单数据、音频、视频等多媒体信息的服务器，会慢慢被时代所淘汰，伴随而来的是兼容性更强，可处理数据量更大，种类更多的第二代通信服务器。(3) 高性能的处理器芯片上文提到的 RAS 和 MPP 技术都要以高性能处理器芯片为前提，当所构建的多处理器系统功能复杂时，需要服务器系统中每个处理器都具有较高的性能，即较高速的缓存，这对处理器芯片的硬件性能将有极大地挑战。随着服务器软件的功能日益强大，芯片的性能指标也须满足其要求。(4) “云”计算机制上文提到的三种发展方向，都是以提升通信服务器自身结构、软硬件实力为前提。但随着技术的发展，人们对服务器的数据处理能力、储存能力等要求日益提高，以单台或数台电脑并联组成通信服务器的模式势必被淘汰，取而代之的就是最近比较热门的“云”计算机制。中国有句古话“众人拾柴火焰高”，这一通俗的表达来解释“云”计算是再好不过了。如果把传统的通信服务器当做一个团体的领导者，那么这些被领导者们就是互联网终端的各个 PC 个人电脑。“云”计算将一些简单的、无安全隐私的数据通过网络交付给这些 PC 个人电脑来处理，可以极大地减轻通讯服务器的压力，使其可以运用更多的资源来管理一些重要的操作。这种人人参与的新型网络管理机制，必然会对传统的客户端/服务器模式带来翻天覆地的变化。第2章 TCPI/P协议简介随着计算机网络技术的发展，多个计算机联网工作，彼此之间能够进行数据交流已成为可能，一个系统网络中的计算机要进行数据交换，必须通过网络协议来实现。在当前的网络协议栈中，“传输控制协议”（Transmission ControlProtocol，简称 TCP）和“用户数据报协议”（User Datagram Protocol，简称 UDP)使用最为广泛，针对本文通讯服务器的设计背景与应用场合，我们选用可靠性能较好的 TCP/IP 协议来作为本项目的基本通信协议。下面将对 TCP/IP 传输协议以及相应的 Socket 技术进行详细讲解9-10。2.1 TCP/IP通信协议的体系架构在计算机网络通信的发展中，OSI 七层模型是现今最具影响力的网络体系，它根据开发应用时不同的作用于将整个网络通信分为7层，符合 ISO7498国际标准；相比之下，TCP/IP 并不是国际标准，但是凭借广泛的网络应用以及不断探索与研究，人们已经肯定了其在计算机网络体系架构中所处的重要地位，并且在实际应用中，二者相辅相成，并没有明确的界限可以划分两种结构模型。TCP/IP 通信协议是 Internet 最基本的协议,同时也是国际互联网的基础。其最初由美国国防部高级研究计划局开发11，经过近20年的发展与壮大，现已广泛应用于局域网与广域网中，目前已经成为国际上都认可并遵从的通信标准协议。图 2.1展示了 OSI 七层模型的具体分布。由图可以看出，TCP/IP 协议主要作用于 OSI 网络参考模型的网络层（第 3 层）和传输层（第 4 层）。其中 IP 协议是用来完成 2 个网络设备之间的通信，作用于协议层；TCP/UDP 协议则作用于传输层，负责对要传输的数据进行格式校验，确保符合双方的通信协议，同时将此数据从会话层置于网络层，以实现数据的传输12。图2-1 OSI 网络参考模型与网络协议应用在传输层中，我们可以根据不同的应用需要，在其中选择合适的协议完成设计需求。作为一种面向通信的数据协议，TCP提供两台计算机之间可靠的数据传输。TCP可以确保数据从一个系统网络发送到另一个系统网络时，数据可以准确、安全的送达，因而适用于可靠性要求较高的场合。工作模式上，它采用可靠地全双工字节流、stream字节流接口等。TCP会在网络通信双方之间建立一个虚拟通道，通过连接通道这条途径，构建出一种双向字节流的信息处理方式。TCP通信协议具有较高的可靠性，主要原因在于其三次握手机制13。就如同我们拨打电话一样，必须先拨号给对方，当对方接起电话时，双方进行了首次通话，这时此次通话连接就被建立起来了。具体的连接流程如下：1. 发送方A 发送主信令为syn=1，随机产生seq number=1234567的数据包到服务器，接收方B由 syn=1知道，A要求与B建立连接；2. 接收方B收到A的请求号，需要确认A的连接状态，向A发送ack number=（发送方A的seq+1），syn=1，ack=1，随机产生seq=7654321 的数据包，通知发送方A，已准备好数据通信；3. 主机A收到接收方B回发的信息后，会首先检查ack number的值，若为1且ack=1，则认定正确。此时主机A再发送ack number=（接收方B的 seq+1)，ack=1给接收方B，B收到后并确认ack number与ack，如正确则表示握手机制完成，双方开始正常通信。通过这三次握手机制的判断，确保了数据的传输稳定、数据差错小，且按照发送顺序来接收。由于本文的设计背景，TCP 协议的可靠性更能满足通信服务器的应用要求。2.2 Socket 通信机制一般而言，一台计算机只有单一连接到网络的“物理连接”，即通过串口、以太网络进行的连接，所有的数据交换都在于此，对内、对外送达特定的计算机，这就是端口（Port），如图2.2所示。而在网络程序设计中，端口的定义并非上述的物理存在，而是一个虚拟的配置，它将065535之间的整数进行分配，不同的网络应用程序有不同的端口号。如：HTTP服务器一般使用80端口，FTP 服务使用21端口等等14。图2-2 Socket 通信机制Sokcet 接口实际是一个 API 接口。是一个运行在传输层的接口。因此当传输层的模块程序要进行数据传输时，需要为其指定一个端口来提供收发。作为传输层和接口之间的桥梁，Socket 网络接口是 Internet 通信应用层领域技术实现的前提，它是网络通信的基本操作单元。由于 OSI 网络参考模型实际使用较为复杂，开发 Socket 的目的就是将这些复杂的网络底层结构隐藏起来，使开发程序员可以关注于网络通信应用部分的内容，特别是在多操作系统、多通信协议方式的网络化系统中优点更为凸显。第3章 需求分析与系统结构设计3.1 需求分析通信服务器作为网络化集控系统的桥梁，需要本着友好、可靠、稳定等几个方面来设计。本文通信为目的，旨在构建一个完整的服务器程序，可以通过RS232与TCP/IP协议的转换，实现串口与以太网口之间的转换功能，并且能提供RS-232终端串口与TCP/IP网络的数据双向透明传输。3.2 系统结构设计TCP/IP 协议由应用层、UDP 层、IP 层和数据链路层组成。为了实现透明传输，增加应用进程协议层串口层。串口层由串口链路层和串口网络层构成。网关在串口层构建，同时解析 RS232 数据包，并作为TCP/IP网络应用层的数据传输。串口网关由 TCP/IP协议转换模块和串口收发控制模块组成15。根据实现的功能，系统主要由以下两部分组成：(1) TCP/IP 协议转换模块：它是一个微型的以太网接入模块，由微控制器 STC89C51、以太网控制器芯片ENC28J60、网络隔离变压器HR911105A等组成。来自客户端的数据信息通过RJ45以太网接口，网路接口芯片传送给微控制器，微控制器通过内嵌的TCP/IP协议栈，实现地址解析协议(ARP)、Internet 控制报文协议(ICMP)、IP协议、用户数据报协议(UDP)等协议的解析和封包。在正常运行时，TCP/IP 协议转换模块的任务主要是将以太网发送缓冲区的串口帧封装在 UDP 包中，并传给IP层；同时，接收以太网数据帧并向上层层解包，分离应用层数据，然后数据的解析处理交由多串口发送模块完成，实现 RS232 串口流与以太网端口流的透明转换。(2) 串口数据处理模块：它是一个多 (最多32个)RS232串口数据流的收/发控制模块，由微控制器 STC89C51、串口扩展芯片、MAX3232CSE等元件组成。微控制器与串口扩展芯片共同完成对多串口数据收发的控制：一方面接收多个串口源数据，封装后写入以太网发送缓冲区打包传输；同时，接收以太网应用层的数据，解析并从串口发出。对于串口处理模块来说，通信数据的具体形式并不重要，它的任务主要是接收/发送，封装/拆封串口帧，为网关提供通用接口。第四章 系统设计4.1 硬件设计在硬件设计上，MCU采用的是STC89C51，EEPROM存储器,可以存储一些配置信息，这样系统板掉电后,其基本的配置信息不会丢失，采用MAX3232CSE芯片作为TTL到232电平转换的芯片。网络通信芯片采用ENC28J60，采用该芯片原因在于它是带SPI接口的独立以太网控制器，而且该芯片的价格比较便宜，因此采用ENC28J60,作为网络传输芯片。整个系统提供RJ45接口连接到tEhemet网络，并且提供一个串口给用户使用。系统板可以将从tEhemet上过来的TCP/IP数据报解包后送给串口，也可将从串口过来的数据封装为TCP/IP包送到局域网中。4.1.1 以太网接口驱动程序将要发送的数据包按指定格式写入芯片并启动发送命令，ENC28J60会自动把数据包转换成物理帧格式在物理信道上传输。反之ENC28J60收到物理信号后将其还原成数据,按指定格式存放在芯片RAM中，以便主机程序取用。简言之就是ENC28J60完成数据包和电信号之间的相互转换，数据包电信号以太网协议由芯片硬件自动完成,对程序员是透明的。驱动程序有3个模块：(1)芯片初始化；(2)收数据包；(3)送数据包。图4-1是ENC28J60的简化结构框图，图4-2是使用该器件的典型应用电路，要将单片机连接到以太网中只需要ENC28J60、2个脉冲变压器和一些无缘原件即可，在本文的以太网接口的连接方式如图4-3所示。图4-1 ENC28J60框图图4-2典型的 ENC28J60接口图4-3 ENC28J60连接方式4.1.2 控制电路本文设计的主控单元采用的是Atmel公司生产的MCS-51系列的STC89C51单片机，该单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字节在系统可编程Flash存储器，其框架图如图4-4所示。图4-4 STC89C51框图STC89C51运行速度快，可以很好地支持串口-网口数据的高速稳定的传输。控制电路以及SPI总线接口如图4-5所示。图4-5 系统控制电路4.2 软件设计由于TCP/IP源代码是基于操作系统下编写的,而且最小版本的TCP/IP源代码也有100多K的代码,而51单片机没有操作系统支持,它的资源也有限,所以不能直接移植代码,因此必须从新编写TCP/IP的内核,从而在51单片机上实现网络传输。通过网卡ENC28J60实现网络传输数据,必须要编写的协议有:ARP(地址解析协议)、IP(网际传输协议)、UDP和TCP(传输协议)。所以在程序上分层实现这个协议。具体的程序编写流程图如图4-6所示：图4-6 程序编写流程图在VC+下，利用Winsock网络编程接口编写调试程序。同时利用Windows下串口API函数编写串行通信。第五章总结与展望本文从实际项目需求出发，研究了基于TCP/IP 协议的串口通信服务器系统的相关问题。首先详细深入地介绍了开发通信服务器所设计的相关技术，并结合本文内容，完成了理论与实际的结合。其次通过需求分析，以整个系统的够构架为基础，对以太网接口电路以及主控制电路进行了规划。最后通过软件的编写完成了串口通信服务器的设计，该服务器以通过RS232与TCP/IP协议的转换，实现串口与以太网口之间的转换功能，并且能提供RS-232终端串口与TCP/IP网络的数据双向透明传输。串口通信服务器设计是漫长而复杂的过程，它涉及到控制技术、网络技术、数据库技术、PC 技术等多个领域。由于时间有限，本文还有还有以下几点不足，需要进行深入研究：（1） 在错误处理方面，虽然经过长时间的测试与修复，通信服务器已能正常运行，但是隐患的故障仍然不可知。（2） 该串口通信服务器是基于单片机设计的，但是目前市场更受欢迎的是ARM处理器的集成设计，在以后的研究中可将方向转向嵌入式设计方面。致谢岁月如歌，光阴似箭，一转眼，我的本科生涯即将结束，在这百感交集的时刻，我的脑海里闪现了这两年多时间里美好的一幕幕。回首过去，我收获了荣誉，经历了挫折，也曾在低谷处彷徨过，然而在导师、同学和亲人朋友的陪伴下，我走过了一段最为宝贵的奋斗旅程，成功从一名普通的大学生蜕变为一名拥有实践经验和创新思维的毕业生，交付了学生生涯最后一份满意的答卷。在此谨向所有在学习生活工作上给予我帮助的人表示最诚挚的感谢。 首先要感谢的就是我最敬爱的导师XX。我在学习上的每一个突破都离不开XX老师的悉心指导。记得刚进实验室的时候，我就被XX老师那幽默的风格和平易近人的态度所吸引。XX老师很早开始了对我的培养，完善的学习计划让我能更快更好地融入课题研究。每当我遇到瓶颈时，XX老师总能在关键时刻用他那渊博的知识给我指点迷津，为我指明方向。每当我取得成绩时，XX老师在为我高兴的时候也不忘告诫我要戒骄戒躁，保持谦逊的态度。XX老师不仅在学业上教导我，更在我人生道路上为我指明前进的方向。他总是告诉我，作为一名优秀的人才，不仅要在工作上拥有杰出的能力，更要在生活中保持积极向上的心态，敢于迎接各种挑战。此外，XX老师常常以自己的过往的例子给予我最直接的建议，让我受益匪浅。我很庆幸在我大学阶段能遇到这样一位优秀的导师，在这里我只想说，XX老师，您辛苦了，学生让您费心了。 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