利用RCM2200实现以太网与异步串口的通信

摘要  本文研究基于RCM2200嵌入式系统对和串口的编程技术。介绍了RCM2200微控制器核心模块以及Dynamic C软件开发环境，讲述了如何利用Dynamic C语言通过RCM2200核心模块实现UDP报文和异步串口数据的互相转换。Dynamic
C是与RCM2200配套使用的软件开发语言，它拥有丰富的库函数以便程序员编程时调用，结果表明，运用该语言能实现基于RCM2200以太网与异步串口之间的成功通信。

关键词  嵌入式系统；RCM2200；UDP报文；串口通信

 

1 引言
目前，嵌入式技术已经广泛渗入并应用到各领域，涉及到多种传统及技术，形成了前所未有的多学科、多领域的交叉与融合。由Z-World公司推出的RCM2200[1]是一款低成本的嵌入式微控制器核心模块，它采用Dynamic C®[2]这一专门为Z-World产品创建的集成的C 编译器、编辑器、链接器、装载器和调试器，便于实现快速开发应用，加快产品投放到市场。
     UDP协议[3][4]是比较著名的传输层协议之一，它与TCP协议一样是基于IP协议的，但与TCP不同的是它不需要协议层提供质量保证，因此，在需要实时数据传输的情况下应用比较广泛。并且，因为不提供质量保证，服务器没有必要一直处于等待状态，从而大大减轻了服务器的负担。在某些情况下，还可以根据需要给UDP报文加上一些质量保证控制，有很大的灵活度。
在不远的将来，将设备与网络相连将成为一种趋势。在诸如GPS串口数据网络收发以及某些语音传输、实时监控等多种场合，实现以太网与异步串口数据之间的通信是非常必要的。本文介绍了一种基于RCM2200嵌入式微控制器核心模块利用UDP报文实现网络与串口互通的方法，可以迅速实现将串口与网络相连接。
2  系统原理及功能
RCM2200采用Rabbit半导体公司推出的高性能8位器件－Rabbit2000型微处理器；带RJ-45插口的内置10Base-T端口简化了网络连接，便于开发带以太网接口的监控、通讯设备；配备有4个串行口，方便扩展联接；拥有26根并行的I/O引线以及16根可设置的I/O引线，无须扩展即可完成一般的I/O任务；拥有256K Flash,128K SRAM, 用于代码存储和数据存储；时间、日期、看门狗、定时器等一应俱全；且其采用双列直插式引脚，尺寸仅为59 x 41 x 22 mm。这种结构促进了嵌
入式系统的快速开发，并可实现集成的以太网连接。
RCM2200系统的基本框架结构如图1所示。
  图1  RCM2200系统结构
RCM2200采用Dynamic C®语言进行软件开发，与标准C语言相比，Dynamic C的改进和差异在于使得在功能强大的嵌入式系统上进行实时
编程变得非常容易。 语言的扩展包括多任务和优
先多任务的构造，当供电失败时，能够保护写入变量， 能够写入到中断程序中去。标准C函数库，特定板的外围驱动，芯片外围设备，以及其他的性能以源代码的形式包含在Dynamic C中。完全支持汇编语言，在对时间要求较高的应用中，汇编代码可以方便的与C代码混用。
在该开发系统中将RCM2200的以太网接口与当地局域网相连，选择一个串口与机的串口相连。由以太网发送UDP报文给RCM2200微控制器核心模块经过处理后通过串口发送给计算机，由计算机串口发送数据给RCM2200微控制器核心模块经过处理后通过其上的网络口发送UDP报文给以太网，从而实现基于RCM2200以太网和串口之间的通信。
3  UDP协议的实现
UDP协议是比较著名的传输层协议之一，它使用IP作为网络层协议，为应用程序发送和接收数据报。但是，它提供无连接服务，是不可靠传输。因此，UDP报文主要用于需要实时数据传输的情况，一次传输少量的数据。在某些对实时性要求很高的场合，利用UDP报文进行数据传输是非常必要的，但往往要采用一些可靠性方案，以防止有漏传、误传的现象发生。
3.1 客户机/服务器程序设计模式
客户机/服务器的程序设计模式在网络程序设计中被大量的应用。这种设计模式将整个系统分为两大部分——服务器部分和客户机部分。客户机向服务器提出请求，服务器对请求作相应的处理将结果返回给客户机。
     根据不同的实际情况，客户机/服务器的通信存在对称和非对称两种方式。在对称的方式下，通信的每一方都可能扮演主从角色；在非对称的方式下，一方不可改变的认为是主机，而另一方则是从机。无论是对称的或是非对称的，当服务被提供时必然存在客户进程和服务进程。基于UDP协议的通信既可采用对称方式也可采用非对称方式。
3.2  数据报套接字
套接字（socket）是通信的基石，是支持TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元。它是网络通信过程中端点的抽象表示，包含进行网络通信必须的五种信息：连接使用的协议，本地主机的IP地址，本地进程的协议端口，远地主机的IP地址，远地进程的协议端口。
UDP协议支持数据报套接字。这种套接字可以采用客户/服务器模式，以全双工方式工作，接收发送可以同时进行，但并不保证数据传输的可靠性、有序性和无重复性，需要由程序员负责管理数据报的排序和可靠性。
3.3  使用Dynamic C实现UDP报文的传输
Dynamic C提供了许多支持TCP/IP协议的库函数。其中，DCRTCP.LIB是最主要的函数库。
下面将简要介绍UDP协议下的基本通信流程。
3.3.1  调用本地初始化函数
     void sock_init(void)
     该函数将使用默认配置初始化本地信息包驱动器以及DCRTCP.LIB函数库。该函数必须在其他网络库函数被使用前进行调用。
3.3.2  打开数据报套接字
     int udp_open( *s, lport, remote_IP, port, *data_handler ())
其中的参数解释如下：
s : 指向UDP套接字的指针；
lport : 本地协议端口；
remote_IP : 可接受的远地主机IP地址，如果该项为-1，则支持广播通信；
port : 可接受的远地进程协议端口，如果该项为-1，则为广播数据报；
data_handler() : 如果接收到数据则调用该函数；
该函数的返回值，如果成功返回非零，否则返回零值。
3.3.3  接收远地主机发送的数据报
     int udp_recv( *s, *buf_recv, recv_len)
     当套接字初始化后用该函数扫描接收缓冲区，，察看是否有数据报到达。其中，
buf_recv : 指向用于存放已到达数据报的数组的指针；
recv_len : 存放数据报的数组的大小。
如果接收到数据报则返回数据报的长度；否则返回-1。
3.3.4  发送数据报给远地主机
     int udp_send( *s, *buf_send, send_len )
     调用该函数发送数据报给远地主机。如果成功返回该数据报的长度，否则返回-1。
     buf_send : 指向待发送数据报的指针；
     send_len : 待发送数据报的长度。
3.3.5  网络信息处理函
    int tcp_tick( *s )
     该函数将察看网络连接状态，检查数据报的到达情况，处理新到数据报并重传丢失的数据报。若出现网络连接被复位及套接字已关闭的情况或参量s为NULL，则返回值为零；否则返回非零值。
3.3.6  关闭套接字
     void sock_close( *s )
     当数据传送工作完成或传送过程中发生错误时，可调用该函数关闭套接字
4    串口通信的实现
4.1  RS232电平与TTL电平的转换
PC机的串行接口是符合EIA RS-232C规范的外部总线标准接口，而RCM2200配备有四个串行接口，都是采用TTL电平，因此两者之间必须进行电平转换。以RCM2200的串行口C（位于核心模块的J4插槽上）为例，电平转换如图2所示。

          图2  RS232与TTL电平转换图
4.2  使用Dynamic C实现串口数据的传输
     Dynamic C提供了一些与计算机串行口进行通信的函数可供用户程序调用，下面简要介绍其中的一部分。
4.2.1  打开串行接口
int serXopen( bard )
         bard : 长整型，每秒钟传送的比特数。
     该函数用于打开RCM2200的串行接口，由于RCM2200核心模块拥有四个串行口，故X可根据需要取为A/B/C/D其中一个。在调用该函数之前，还必须先定义串行口的输入输出缓冲区大小，通常情况下设定为2n-1，否则就采用默认值31，但在编译时会给出警告。该函数的返回值：成功则为1，否则为0。
4.2.2  读取PC机串行口数据
     int serXgetc()       /* X = A|B|C|D */
     程序可以调用该函数查询串行口是否有字符来到，如果有，返回该字符值；否则，返回值-1。
4.2.3  发送数据到PC机串行口
     int serXputs( *s )
     int serXwrite( s, length )  /* X = A|B|C|D */
     这两个函数均可用于发送字符串给计算机的串行口，返回成功发送的字符数。
     s : 待发送字符串的首地址；
     length : 待发送字符串的长度。
4.2.4  关闭串行口
     void serXclose()     /* X = A|B|C|D */
     该函数用于关闭已经打开的串行口。
5      实现以太网与串口之间的通信
5.1      定义网络以及串口初始化数据
在程序的开头，必须使用#define定义一些初
始化数据，比如：RCM2200所使用的本地IP地址以及端口，与之通信的远地IP地址以及端口以及串口输入输出缓冲区的大小等等。
5.2 主程序
     在主程序中调用PC机串口发送字符串给RCM2200经过处理后再由RCM2200发送UDP报文给以太网以及RCM2200接收以太网发送来的UDP报文后再送给计算机的串行口两个子程序。
main()
{
     sock_init(); //初始化网络库函数
     :   //打开串行口及网络套接字
     for(;;;)
     {
           tcp_tick(NULL);//察看套接字状态
           init_comm();//网络发报文串口接收
           comm_init();//串口发数据网络接收
     }
}
5.3网络发报文串口接收
     子程序init_comm() 使用库函数udp_recv查询RCM2200以太网接口是否有UDP报文来到，如果没有则返回主程序，否则将UDP报文存放到buf_init数组中，然后调用serCputs(buf_init)通过RCM2200的串行口C发送到计算机的串行口。值得一提的是，当RCM2200接收到了一次报文之后，它将自动关闭接收报文的套接字，因此，如果还想接受下一次发送的报文，必须再次调用函数udp_open打开该套接字。
5.4串口发字符串网络接收
     子程序 comm_init()调用函数serCgetc()用于查询计算机的串行口是否有数据到来，如果没有则返回主程序，否则将接收到的字符存储到buf_comm数组中，直到检测到结束符到来，将字符串以UDP报文的形式通过函数udp_send发送给以太网。如果发送成功，则返回主程序等待下一次数据的到来，否则关闭该套接字后重新打开再返回主程序等待。
5.5程序调试结果
    在该程序的调试过程中，利用Visual C++语言编写了一个接收和发送UDP报文的程序用于以太网的计算机上，另外还使用了从网上下载的串口调试帮助软件，结果表明，该程序能实现基于RCM2200以太网与异步串口之间的成功通信。
结论
     RCM2200是为了促进嵌入式系统的快速开发和实现集成的以太网连接而设计的。集成的以太网口允许用户通过使用的网络软件进行瞬间的本地连接或全球范围的连接。另外，RCM2200还提供了四个串行口用于和其他设备的串行口进行数据交换。
     RCM2200使用Dynamic C软件开发环境，支持C语言、汇编语言，拥有丰富的库函数可供用户调用，并具有单步编译、断点设置、单步执行、代码分解、监视表达式等优秀性能。
     使用Dynamic C接收和发送UDP报文时，由于网络对该报文的传输不提供质量保证，在每完成一次操作后，必须及时检查套接字的状态，避免发生误传、漏传以及套接字关闭等现象。在发送和接收串口数据时，要注意使RCM2200的串口数据传输波特率与PC机保持一致，这样，才能保证正确传输。

【1】Z-World, Inc.  RabbitCore RCM2200 User’s Manual  2001年
【2】Z-World, Inc.  Dynamic C premier User’s Manual
1999年
【3】Z-World, Inc.  Dynamic C TCP/IP software User’s Manual  2001
【4】谢希仁．机．第三版．大连: 大连理工大学出版社，2000．200～201．