串口服务器设计指南

图0：串口服务器 - 系统信息

前言

串口服务器是一种将串口数据转换为网口数据的设备，它在工业方面使用较多。这类设备需要非常高的稳定性，但是稳定性跟设计人员的硬件水平、软件水平以及测试等关系密切，这个范围太大，这里只是谈串口服务器软件如何设计。

1. 核心数据结构设计

1.1 串口数据结构

串口参数：波特率、流控制、接口方式等
操作模式：TCP服务器、UDP服务器等
协议类型：Modbus TCP转Modbus RTC、自定义协议等
与串口打包有关：打包时间、打包长度、分隔符
- 串口运行信息：发送和接收字节数、缓冲区溢出次数等
与底层串口发送和接收相关数据结构
环形队列控制数据结构和环形队列缓冲区

1.2 网口数据结构

IP类型：静态获取和动态获取
IP地址
子网掩码
网关地址

2.参数存储设计

串口数据结构中，串口参数、操作模式、协议类型以及与串口打包有关的数据需要存储在非易失性存储器中；
网口数据结构需要存储在非易失性存储器中。
在设计参数存储程序时，应考虑易扩展性。因为将来串口的个数可能会比当前设计的个数增加，新增加的串口，不应该再去考虑参数存储的事情。

3.数据缓冲区设计

串口接收的数据和网口接收的数据应该分别存储，环形队列这种数据结构能很好的满足我们的需求。它用两个指针分别管理读和写入口，一般写队列的优先级都会大于或等于读队列优先级，这样就可以不用设置临界区。
在我们这个应用中，环形队列每次写入和读出的数据都不一定相同，所以我们需要改造通用的环形队列实现方法，将每一帧的长度字段和数据一起存入到环形队列中去。

4.数据打包策略

数据打包一般只针对串口，这是因为串口在硬件层面上是不支持"数据帧"的，它是一个字节一个字节发送和接收（即使有FIFO，但通常不会超过16字节）。网口与串口不同，它会将数据打包，在一包数据前面和后面各增加一些位形成数据帧，可以说网口硬件已经将数据打包好了，串口没有这种硬件功能，需要软件打包。
一般可以根据设置的参数来打包，比如根据打包时间参数、打包长度参数、分隔符等等。如果没有使能这些参数，或者打包时间参数和打包长度参数设置为0，就需要程序默认一个打包时间。
打包时间这个参数很容易被误解，它并不是说这个时间内的数据打成一包数据，而是当接收一个字节数据之后，超过打包时间也没有接收到下一个字节数据，我们就会把这之前接收的数据打包。
打包长度这个参数是指接收到的数据个数等于打包长度时，这些数据打成一包。需要注意的是程序中隐藏着另外一个固定的打包长度，并且这个打包长度优先级最高，只要接收到的数据长度等于这个打包长度，会忽略掉其它所有打包参数，立刻将数据打包。这个隐含打包长度就是串口接收缓冲区长度。
分隔符可以有1个也可以有多个，当接收的数据流中包含了分隔符后，数据立刻被打包，它会忽略打包时间参数。

如果支持软件协议，要根据软件协议规定的打包策略执行。

5.协议

添加自定义协议层，可以实现数据过滤、更详细的数据统计功能等等；可以将串口服务器用作Modbus网关，用于将Modbus TCP转换成Modbus RTU；可以实现其它协议转换。

6.IP发现

如果隔个半年，还得让你记得某个串口服务器的IP地址，那么这样的产品是相当没有人性化设计的。所以我们必须设计一种功能，通过一个上位机软件，去发现当前局域网下的所有串口服务器IP地址、MAC地址等信息。这一功能，叫做IP发现。
一般是利用UDP广播功能，向特定端口发送一个特定数据包，串口服务器收到数据包后，将自己的IP地址等信息上传给上位机。图6-1显示上位机软件获取到的一个串口服务器信息。