本文探討了一種簡單而經(jīng)濟的方法，通過使用DS80C400/DS80C410/DS80C411網(wǎng)絡(luò)微控制器改造基于微型互聯(lián)網(wǎng)接口（TINI?）平臺的傳統(tǒng)系統(tǒng)，將獨立串行設(shè)備遷移到以太網(wǎng)。一旦設(shè)備連接到以太網(wǎng)，實現(xiàn) TINI Web 服務(wù)（如 HTTP 服務(wù)器）就非常簡單了。

概述

使用串行端口作為與其他電子設(shè)備通信手段的設(shè)備數(shù)量驚人。事實上，對于許多人來說，串行端口提供了與外界通信的唯一機制 - 包括恒溫器、銷售點系統(tǒng)、遠程監(jiān)視器、條形碼閱讀器、收據(jù)打印機、RFID 收發(fā)器、血壓計等等，涉及從傳統(tǒng)測試工具到最新的樓宇自動化等領(lǐng)域。這些設(shè)備沒有直接參與更大的計算機網(wǎng)絡(luò)的方法，但新的應(yīng)用程序需要TCP / IP連接和以太網(wǎng)功能。通常，昂貴且耗時的重新設(shè)計不是一種選擇。

本文探討了一種簡單而經(jīng)濟的方法，通過使用DS80C400微控制器改造基于TINI?平臺的傳統(tǒng)系統(tǒng)，將獨立串行設(shè)備遷移到以太網(wǎng)。一旦設(shè)備連接到以太網(wǎng)，實現(xiàn) TINI Web 服務(wù)（如 HTTP 服務(wù)器）就非常簡單了。

RS-232 串行端口

本文中討論的異步串行通信基于RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)可以追溯到記錄計算機歷史的早期;RS-232-C 于 1969 年發(fā)布1。大多數(shù)現(xiàn)代串行端口不支持標(biāo)準(zhǔn)中定義的所有信號 - 并且實現(xiàn)的信號的使用方式僅與標(biāo)準(zhǔn)中定義的方式“相當(dāng)接近”。我們將忽略純粹的歷史定義，專注于RS-232的使用方式。

空格和標(biāo)記

RS-232-C將+3V至+25V的電壓電平指定為“SPACE”（二進制0），將-3V至-25V的電壓電平指定為“MARK”（二進制1）。-3V和+3V之間的區(qū)域是“開關(guān)區(qū)域”。許多UART（通用異步接收器發(fā)送器）對0和5使用更現(xiàn)代（相對而言）的TTL電壓電平0V和+1V。專用電平轉(zhuǎn)換器，如著名的MAX-232，在TTL和RS-232電平之間轉(zhuǎn)換。由于DS80C400/DS80C410/DS80C411上的串行端口是TTL電平，因此在與另一個TTL電平UART接口時不需要電平轉(zhuǎn)換器。

DCE 和 DTE

DCE（數(shù)據(jù)通信設(shè)備）和DTE（數(shù)據(jù)終端設(shè)備）是通信通道的兩個端點。主要區(qū)別在于串行連接器引腳排列（所謂的零調(diào)制解調(diào)器可用于在兩者之間進行轉(zhuǎn)換）。

表 1 顯示了使用零調(diào)制解調(diào)器時 DB-9 DTE 串行連接器上的信號和另一個 DTE 上的相應(yīng)信號。

流控制

串行通信可以通過在一個引腳（TD）上發(fā)送并在另一個引腳（RD）上偵聽來實現(xiàn)。但是，當(dāng)兩臺通過RD通信的設(shè)備時，TD隨意傳輸，其中一個可能會溢出另一個，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。通常有兩種方式實現(xiàn)流控制：

- XON/XOFF（通常松散地稱為軟件流控制） - RTS/CTS（通常松散地稱為硬件流控制）

XON/XOFF 流控制方案傳輸帶內(nèi)字符，導(dǎo)致另一端暫停（XOFF，13h）和恢復(fù)（XON，11h）傳輸。XON 和 XOFF 字符必須由發(fā)送方在軟件中轉(zhuǎn)義，如果它們出現(xiàn)在二進制數(shù)據(jù)流中，則由接收方解開包裝。

RTS/CTS使用額外的信令線。RTS（發(fā)送請求）由發(fā)送方斷言。當(dāng)接收方準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)時，接收方使用 CTS（清除發(fā)送）進行響應(yīng)，在其接收緩沖區(qū)已滿時清除 CTS。

有些設(shè)備支持流控制，有些則不支持。因此，默認(rèn)值通常設(shè)置為“無流控制”，如果已知設(shè)備實現(xiàn)流控制，則應(yīng)覆蓋該默認(rèn)值。

速度、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗

為了使通信成功，必須正確設(shè)置的其他參數(shù)當(dāng)然是傳輸速度（比特率），數(shù)據(jù)和停止位的數(shù)量以及奇偶校驗的類型（如果有的話）。大多數(shù)新設(shè)備使用“8N1”設(shè)置，這意味著 8 個數(shù)據(jù)位、無奇偶校驗和 1 個停止位。但是，眾所周知，遺留系統(tǒng)使用所有可能性，因此正確的設(shè)置實際上可能不是那么簡單。

天尼與網(wǎng)絡(luò)

TINI（微型互聯(lián)網(wǎng)接口）是達拉斯半導(dǎo)體公司開發(fā)的技術(shù)平臺，允許在DS80C400/DS80C410/DS80C411微控制器上快速開發(fā)。具體來說，TINI包含一個芯片組定義，以及一個與高度優(yōu)化的Java? 1.1運行時環(huán)境集成的嵌入式操作系統(tǒng)。使用Java，程序員可以從嵌入式開發(fā)中不常見的強大功能中受益：多線程，垃圾收集，繼承，虛擬化，跨平臺功能，強大的網(wǎng)絡(luò)支持，以及最后但并非最不重要的一點是，大量的免費開發(fā)工具。TINI用戶通常不受匯編語言編碼的影響。但是，支持并鼓勵使用本機語言子例程來優(yōu)化速度關(guān)鍵路徑或低級硬件訪問（TINI 操作系統(tǒng)是用本機代碼編寫的，因此串行 I/O 吞吐量與現(xiàn)代 PC 沒有顯著差異）。

除了完全支持 java.net 包之外，TINI Java 1.1 運行時還包含 javax.comm 子系統(tǒng)的實現(xiàn)。由于TCP/IP和串行端口都可以從Java輕松訪問，因此TINI系統(tǒng)很容易實現(xiàn)串行到以太網(wǎng)橋接。

TINI環(huán)境在TINI規(guī)范和開發(fā)人員指南（Addison-Welsey，2001）中有詳細的記錄。

例子

我們將從兩個具體的應(yīng)用程序開始，然后介紹一個通用串行到以太網(wǎng)程序的簡短摘錄，該程序可以修改以適應(yīng)幾乎任何特定應(yīng)用程序。這些示例是使用 TINIm400 驗證模塊構(gòu)建的。

圖1.

TINI驗證模塊可以用作“黑匣子”，將多個串行設(shè)備連接到以太網(wǎng)。根據(jù)終端設(shè)備的需要，TINI可以直接傳遞數(shù)據(jù)，也可以解析、解釋和修改數(shù)據(jù)流。

請注意，雖然您可以在 TINIm400 上運行 slush 開發(fā)人員外殼中的示例，但更完善的應(yīng)用程序?qū)Ⅰv留在閃存中，在斷電時自啟動，并使用其他 TINI 構(gòu)造技術(shù)使成品幾乎堅不可摧。

需要一些基本的網(wǎng)絡(luò)知識和編程經(jīng)驗才能修改示例。工作示例代碼也可從Maxim下載。

虛擬調(diào)制解調(diào)器

第一個示例是“虛擬調(diào)制解調(diào)器”2，它使用 TINIm400 將物理調(diào)制解調(diào)器和電話線替換為 TCP/IP 連接。假設(shè)像工廠“機器狀態(tài)監(jiān)視器”這樣的傳統(tǒng)設(shè)備，它使用調(diào)制解調(diào)器每天多次撥入中央服務(wù)器，以報告機器狀態(tài)、負(fù)載和效率數(shù)據(jù)。為了消除服務(wù)器端對不斷增長的調(diào)制解調(diào)器庫的需求，并且能夠使用現(xiàn)有的LAN而不是設(shè)備的電話線，可以

- 將服務(wù)器軟件重寫為基于 TCP/IP 和
- 使用 TINI 虛擬調(diào)制解調(diào)器替換每臺計算機上的原始調(diào)制解調(diào)器

但是，機器狀態(tài)監(jiān)視器不必修改，因為就終端設(shè)備而言，虛擬調(diào)制解調(diào)器的行為類似于真正的調(diào)制解調(diào)器！

當(dāng)然，虛擬調(diào)制解調(diào)器也可以成對使用，而不是上述配置。使用兩個虛擬調(diào)制解調(diào)器時，根本不需要更改服務(wù)器軟件，TINI模塊是現(xiàn)有調(diào)制解調(diào)器的直接替代品。

在后臺，虛擬調(diào)制解調(diào)器在收到“ATD”調(diào)制解調(diào)器撥號命令時建立 TCP 連接。“ATH”斷開連接命令將關(guān)閉 TCP 連接。該軟件還實現(xiàn)了許多其他經(jīng)典的AT調(diào)制解調(diào)器命令，例如，被Microsoft? Windows?網(wǎng)絡(luò)識別為真正的調(diào)制解調(diào)器。此外，虛擬調(diào)制解調(diào)器偵聽TCP端口本身，并可以應(yīng)答由“RING”向終端設(shè)備發(fā)出信號的傳入“呼叫”。

以下代碼片段演示如何初始化 TINIm400 上的串行端口：

   public static void main(String args[])
      {
         TINIOS.setSerialBootMessagesState(false);
         TINIOS.setDebugMessagesState(false);
         TINIOS.setConsoleOutputEnabled(false);

         System.out.println("Connecting to serial0 at 9600bps, "
                            "listening on TCP port 8001");

         try {
            CommPortIdentifier portId = CommPortIdentifier.getPortIdentifier("serial0");
            SerialPort port = (SerialPort) portId.open("VModemTINI", 10000);

            TINIOS.setRTSCTSFlowControlEnable(1, false);
            TINIOS.setRTSCTSFlowControlEnable(0, true);

            TCPSerialVirtualModem modem = new TCPSerialVirtualModem(port,
                                  /* Comm speed */ 9600, /*TCP Port */ 8001);

            modem.processInput();
         }
         catch (Exception e) {
         System.out.println("Exception: "+e.toString());
         }
      }

該代碼首先禁用所有 TINI 操作系統(tǒng)調(diào)試輸出，這是 TINI 的標(biāo)準(zhǔn)做法。獲取端口標(biāo)識符后，將打開該端口（第二個參數(shù)告訴 open 如果該端口當(dāng)前正由另一個應(yīng)用程序使用，則等待多長時間）。接下來，設(shè)置硬件流控制的狀態(tài)。由于 TINIm400 只有一組用于串行端口 0 和 1 的 RTS/CTS 線路，因此程序應(yīng)始終禁用另一個端口上的流量控制，然后再在所需端口上啟用它。接下來，實例化 Java 虛擬調(diào)制解調(diào)器。

虛擬調(diào)制解調(diào)器類由 AT 命令解釋器（此處未顯示，盡管到目前為止是示例的最大部分）和網(wǎng)絡(luò)代碼組成。以下代碼設(shè)置串行端口比特率、數(shù)據(jù)和停止位以及奇偶校驗，并顯示處理入站連接的難易程度：

  /** Creates a new VirtualModem connected to a serial port on
       * one end and a TCP port on the data side.
       * serial -- the serial port this VirtualModem talks to.
       * speed -- the speed the serial port should be set to.
       * tcpport -- the TCP port this VirtualModem listens on.
       * throws IOException when there's a problem with the serial or TCP port.
       */
      public TCPSerialVirtualModem(SerialPort serial, int speed, int tcpport)
             throws IOException
      {
         super(serial);

         try {
            serial.setSerialPortParams(speed, SerialPort.DATABITS_8,
                                       SerialPort.STOPBITS_1, SerialPort.PARITY_NONE);
         }
         catch (UnsupportedCommOperationException e) {
            throw new IOException();
         }

         ...

         serverSock = new ServerSocket(tcpport, 1); // backlog of one
         listenThread = new listenInbound();
         listenThread.start();
      }

最后，以下 listenThread（） 摘錄接受傳入的連接請求：

  public void run()
         {
            int rc;
            Socket s;

            while (running) {
               s = null; // No incoming connection request
               try {
                  answered = false;
                  s = serverSock.accept();

                  // Discard incoming connection if already connected
                  if (connected)
                     throw new IOException();

                  sock = s; // for answer()
                  ...

不間斷電源監(jiān)控器

第二個示例將 TINIm400 連接到不間斷電源的串行端口。該軟件實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)UPS工具協(xié)議3，允許各種平臺上的各種客戶端監(jiān)控UPS狀態(tài)和運行狀況（該項目源于需要從沒有任何串行端口的新Macintosh計算機監(jiān)控現(xiàn)有UPS）。

UPS設(shè)備有兩種基本類型：所謂的“智能”設(shè)備和簡單（或“啞”）的設(shè)備。一個簡單的UPS在幾個串行引腳上發(fā)出其狀態(tài)信號，它實際上并不發(fā)送任何ASCII數(shù)據(jù)。由于串行引腳不是很多，它只能報告非常有限的一組信息，例如：

javax.comm.notifyOn...（） 方法可以在 Java 中用于輕松實現(xiàn)對狀態(tài)更改做出反應(yīng)的代碼，例如：

       ...
         // Listen for DTR changes
         try {
            port.addEventListener(this);
         } catch (TooManyListenersException e) {
            ...
         }
         port.notifyOnDSR(true);
         ...

      public void serialEvent(SerialPortEvent ev)
      {
         try {
            if (ev.getEventType() == SerialPortEvent.DSR)
               ...
         } catch ...
         ...
      }

智能UPS更有趣，因為它實現(xiàn)了串行協(xié)議，并且可以返回電池充電百分比或溫度等值。不同供應(yīng)商之間的協(xié)議差異很大，而且通常沒有記錄。

以下代碼演示如何接收 UDP 請求并通過 UDP 發(fā)送 UPS 狀態(tài)信息。

 // Listen to incoming UDP requests
      private class listenUDPThread extends Thread
      {
         private DatagramSocket sock;
         private byte[] buffer;
         private DatagramPacket dp;

         public listenUDPThread(DatagramSocket s)
         {
            sock = s;
            buffer = new byte[BUF_SIZE];
            dp = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);
         }

         public void run()
         {
            while (running) {
               try {
                  sock.receive(dp);
                  byte[] data = parseCommand(buffer, dp.getLength());
                  sock.send(new DatagramPacket(data, data.length,
                            dp.getAddress(), dp.getPort()));
               }
               catch (Exception e) {
               }
            }
            try {
               sock.close();
            }
            catch (Exception e) {
            }
         }
      }

由于 Java 中內(nèi)置了強大的網(wǎng)絡(luò)支持，此示例幾乎是不言自明的。while（） 循環(huán)中的代碼會等待，直到它收到 UDP 請求，解析它并向請求的發(fā)起方發(fā)送答案（在傳入數(shù)據(jù)包上使用 getAddress（）。

通用串行到以太網(wǎng)應(yīng)用

完整的串行到以太網(wǎng)示例超出了本文的范圍。（完整的示例在 TINI 規(guī)范和開發(fā)人員指南中顯示和解釋。但是，以下代碼片段演示如何有效地使用多線程在串行到以太網(wǎng)網(wǎng)橋的串行和網(wǎng)絡(luò)部分之間傳輸數(shù)據(jù)。串行端口和TCP端口被抽象為輸入/輸出流dataIn和dataOut，因此這一層代碼實際上根本不需要知道有關(guān)網(wǎng)絡(luò)的任何信息，并且還可以在CAN和1-Wire之間橋接數(shù)據(jù)。

     public GenericBridge()
      {
         ...
         running = true;
         dcThread = new dataCopy();
         dcThread.start();
      }

      // Thread that copies everything from dataIn to dataOut
      private class dataCopy extends Thread
      {
         public void run()
         {
            int r = 0;
            while (running && r >= 0) {
               try {
                  synchronized (threadLock) {
                     r = dataIn.read(dataBuffer);
                     if (r > 0)
                        dataOut.write(dataBuffer, 0, r);
                  }
               }
               catch (Exception e) {
                  r = -1;
                  ...       // Handle error
               }
            }
         }
      }

結(jié)論

許多傳統(tǒng)設(shè)備僅支持異步串行通信，但當(dāng)前應(yīng)用需要以太網(wǎng)連接和 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)。DS80C400/DS80C410/DS80C411微控制器采用強大的Java運行時和TINI技術(shù)，開發(fā)串行到以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器非常簡單，只需幾個小時即可完成。

審核編輯：郭婷