Diseño de Servidor Serial Basado en Raspberry Pi
En control industrial, es difícil expandir la adquisición de señales y el monitoreo de cada equipo solo por bus serie. Para conectar la red de control de campo y la red de información, es necesario resolver el problema de conversión del protocolo de comunicación en serie y el protocolo de comunicación de Internet, es decir, convertir el equipo original en periféricos con interfaz de red, de modo que los datos en la serie tradicional El enlace se puede transmitir a la red de información, sin reemplazar el equipo original. De esta manera, se puede mejorar la tasa de utilización del equipo original, se puede aumentar la cantidad de conexiones de múltiples terminales, se puede ahorrar el costo, se puede simplificar la complejidad del cableado y se puede extender la distancia de comunicación.
En los últimos años, debido a las necesidades del desarrollo de la tecnología de la información y el Internet de las cosas, han surgido una gran cantidad de servidores de puerto serie. No ocupan recursos de host y tienen la función de servidor terminal. Sin embargo, también aparecen problemas como gran volumen, alto precio, corte o expansión difícil del puerto serie, pérdida de paquetes al transmitir una gran cantidad de tramas de datos, configuración de parámetros complejos, etc.
Raspberry pie, el equipo central del servidor serial utilizado en este diseño, es una plataforma pequeña, económica pero poderosa. Puede acceder a Internet a través de una variedad de modos de comunicación y admite una variedad de protocolos de red completos. Combinado con el concentrador USB y el convertidor USB / serie, puede garantizar el uso conveniente del servidor serie y realizar una transmisión de datos estable a largo plazo, precisa y en tiempo real.
1 diseño general
De acuerdo con los requisitos de transmisión de datos del campo industrial actual, los indicadores técnicos y los parámetros de configuración deben ser los siguientes.
1,1 indicadores técnicos
Número de sesiones: se admiten múltiples conexiones para cumplir con los requisitos de que menos de 5 usuarios administren un dispositivo de módulo al mismo tiempo;
Modo de trabajo: cliente TCP, servidor TCP y modo de transmisión UDP;
Luz indicadora: luz indicadora de encendido y luz indicadora de comunicación;
1,2 parámetros de configuración
El dispositivo selecciona el modo de configuración del navegador web y tiene un servidor web integrado. Los usuarios pueden administrar y configurar la dirección IP, los parámetros de comunicación en serie, el modo de trabajo, etc. A continuación se presenta principalmente la configuración de la comunicación en serie y los parámetros del modo de trabajo.
(1) Parámetros de comunicación serie
La tasa de baudios es 2400 115 200 BPS;
Los bits de datos son 6/7/8/9;
El bit de control es ninguno/par/impar;
El bit de parada es 1/1,5/2;
La longitud de la trama es de 1 15000 bytes;
El intervalo de trama es de 30 500 bits.
En donde, la longitud de la trama se refiere a la longitud de los datos recibidos de cada trama, y una vez que el búfer del extremo receptor recibe los datos de esta longitud, se reenviarán; El intervalo de trama es el llamado tiempo de espera del puerto serie. La relación entre el tiempo de espera t (s), el intervalo de trama n (bit) y la velocidad en baudios B (B/s) es la siguiente. Una vez que se agota el tiempo de espera, tanto si la longitud de los datos existentes alcanza la longitud de la trama como si no, el búfer del extremo receptor reenvía la trama del grupo de datos existente.
T= N/B (1)
(2) Parámetros de modo de funcionamiento
Un solo puerto serie admite 1 5 sesiones, y cada modo de sesión es independiente entre sí;
El modo de cliente TCP es para configurar la IP, el puerto y el tiempo de reconexión automática del servidor de destino. El tiempo de reconexión automática se refiere al intervalo de tiempo de reinicio de la conexión activa cuando la conexión de red se interrumpe o el servidor es anormal, y el ciclo de reconexión automática hasta que se realiza la conexión normal;
El modo de transmisión UDP es para configurar el puerto local, la IP del servidor de destino y el puerto de destino.
2 diseño de hardware
De acuerdo con los indicadores anteriores, el servidor serie está compuesto por el último raspberry pie, un concentrador USB y un convertidor de cuatro puertos serie USB producido por la empresa Beijing Century Lianxin.
2.1 composición de la estructura del hardware
La estructura de hardware del servidor serie se muestra en la Figura 1. Raspberry pie tiene dos interfaces USB, un puerto serie TTL y una interfaz Ethernet adaptable de 10/100 MHz. Una interfaz USB expande los puertos serie 4N RS232 / RS422 / rs455 a través del concentrador USB y n (opcional, n = 4 como máximo) convertidores de puerto serie / USB, y el otro se puede conectar con una tarjeta de red USB inalámbrica para realizar la transmisión de datos por cable o inalámbrica en LAN o WAN.
Figura 1 diagrama de bloques de estructura de hardware
2.2 introducción a la tarta de frambuesa
Raspberry Pi es una computadora de placa única con el tamaño de una sola tarjeta de crédito basada en el sistema Linux. Está equipado con un procesador bcm2835 de arquitectura arm de 700 MHz producido por Broadcom, 512 MB de memoria, tarjeta SD como medio de almacenamiento, sistema Linux de código abierto como sistema operativo y python como lenguaje de programación principal.
2,3 introducción al concentrador USB
El concentrador USB (concentrador USB) es una interfaz USB que conecta varios dispositivos USB a una computadora u otro concentrador USB. En algún momento, todos provienen de una o dos interfaces USB principales dentro de la placa base, en lugar de hardware independiente. Una interfaz USB, un concentrador USB y varios periféricos pueden construir una red USB. El concentrador USB seleccionado por el sistema se expande de una interfaz USB a cuatro interfaces USB.
2.4 introducción al convertidor de puerto serie/USB
El convertidor de puerto serie/USB adopta el módulo Beijing Century Lianxin lensys-usb2com-4. Es un módulo de expansión de puerto serie montado en riel, que realiza la función de expandir 4 puertos serie con puerto USB. Puede expandir rápidamente 4 puertos serie de computadora a través de USB, configurar el modo de interfaz RS 232/422/485 a través del interruptor de marcación y realizar la función de 4 RS 232 a 4 RS422/485. El módulo puede completar de manera confiable, en tiempo real y convenientemente la transmisión y conversión de señales RS232 / 485 / 422 en el campo industrial. Es ampliamente utilizado en petróleo y gas, conservación de agua, despacho de energía, despacho municipal y otras industrias.
3 diseño de software
La estructura básica del diseño del software del servidor serie se muestra en la Figura 2. El cliente es solo un navegador web, y el diseño del software se refleja principalmente en la visualización de la página web, la lógica comercial y el almacenamiento de datos del servidor.
El servidor web es el responsable de la configuración manual y el almacenamiento de los parámetros de comunicación del servidor serie, el arranque y parada manual del programa de comunicación, etc.; El servidor de aplicaciones es responsable de realizar el interfuncionamiento entre la red TCP/IP y el equipo de interfaz serial, y completar la conversión mutua entre los datos de formato de protocolo TCP/IP y los datos seriales; La base de datos incluye principalmente la tabla de datos de gestión de usuarios, la tabla de datos de configuración de parámetros del puerto serie y la tabla de datos de configuración del modo de trabajo.
¡Fig! 2 estructura básica del diseño de software
A continuación se presentan tres tareas principales en el diseño de software del servidor de puerto serie: el diseño del servidor web, el diseño de la página de configuración web y el diseño del programa de comunicación de red del puerto serie.
3,1 diseño del servidor web
Debido a la gran cantidad de puertos serie, un servidor web está integrado en el pastel de frambuesa. El servidor web convierte la solicitud del usuario en una consulta o actualización de datos de fondo, y muestra la interfaz gráfica amigable al usuario en el navegador, a fin de realizar una configuración de parámetros de comunicación remota simple y unificada, administración de equipos, administración de usuarios y monitoreo de la operación. estado del servidor de puerto serie.
El servidor de red de puerto serie selecciona el python proporcionado por raspberry pie como lenguaje de desarrollo y adopta el marco de desarrollo web.py pequeño y flexible para proporcionar servicios HTTP. Su peso ligero cumple con los requisitos del sistema de adquisición para el módulo de transmisión de datos y puede mejorar la eficiencia de uso del sistema. El flujo de diseño del servidor web se muestra en la Figura 3.
Figura 3 flujo de diseño del servidor web
Una vez que se enciende el equipo o se reinicia el sistema, el servicio web se inicia automáticamente e inicializa la información que se mostrará y configurará en el servidor web. El usuario puede acceder a la página de configuración de parámetros accediendo al puerto especificado del sistema a través del navegador para la autenticación de inicio de sesión. Entre ellos, la información del dispositivo y la información de la red se ven y configuran a través del administrador de archivos del sistema, la información del usuario, los parámetros del puerto serie y la información del modo de trabajo se leen y escriben a través de la base de datos, y la información de ayuda se descarga de la instrucción del servidor del puerto serie. manual, información de servicio de la empresa y otros documentos a través del servidor FTP.
3.2 diseño de página de configuración web
La página de configuración web es la capa de visualización del servidor web, como se muestra en la Figura 4. El número de puertos seriales escaneados indica que el servidor serial tiene 16 puertos seriales, y cada configuración de puerto serial es independiente entre sí.
Figura 4 interfaz de configuración web
Dado que el programa de configuración está diseñado para asociar la configuración del modo de trabajo con la configuración de parámetros del puerto serie, si se seleccionan los primeros tres puertos serie, solo se muestra la interfaz de configuración del modo de trabajo de estos tres puertos serie en la configuración del modo de trabajo, como se muestra en Figura 5.
Figura 5 interfaz de configuración del modo de trabajo
Los métodos de configuración anteriores pueden facilitar la configuración por lotes. Después de la configuración, se puede generar una interfaz de visualización de información de configuración, como se muestra en la Figura 6. Esta interfaz también puede editar y eliminar los parámetros de comunicación y el modo de trabajo del puerto serie seleccionado.
Figura 6 interfaz de visualización de información de configuración
3.3 diseño del programa de comunicación de redes de puerto serie
Una vez que el servidor web completa la configuración, puede iniciar el programa de comunicación para la comunicación de datos. El proceso de implementación específico se muestra en la Figura 7. Este programa se inicia automáticamente después de que se enciende el equipo o se reinicia el sistema. Después de leer los parámetros del modo de trabajo y comunicación del puerto serial configurados por el usuario, ingresa al ciclo infinito del programa de comunicación. El número de procesos en la figura es el número total de puertos seriales configurados por la aplicación de campo. Donde n es el número de puertos serie del servidor de puerto serie y m (m w) es el número de puertos serie utilizados en n puertos serie; N es el número respectivo e I es el número de proceso; S es el número de sesiones configuradas y S es el número de subprocesos.
Figura 7 flujo de trabajo del programa de comunicación del servidor serie
En los tres modos de trabajo, el servidor TCP y el cliente TCP pertenecen al mismo programa de transmisión del protocolo TCP, y su proceso de envío y recepción de tramas de datos adopta la misma idea. A continuación se describe el diseño del programa de transmisión de protocolo TCP y UDP y el programa de reenvío de tramas de datos:
3.3.1 diseño de programa de transmisión de protocolo superior
El programa de transmisión del protocolo TCP implica el diseño del servidor y el cliente.
Programación del lado del servidor:
Establezca un socket, seleccione el tipo de INET y el modo de conexión TCP;
Lea el puerto de configuración para vincular y escuchar, y espere a que el cliente se conecte activamente;
Establecer el tamaño de la cola de escucha;
Ingrese un ciclo infinito, use accept() para esperar la conexión del cliente, y la nueva conexión devuelta corresponde a la IP del cliente para establecer el canal de comunicación;
Ingrese al subbucle infinito y lea y escriba a través de sendall() y recv().
Programación del cliente:
Establezca un socket, y el tipo de selección y el modo de conexión son los mismos que los del servidor;
Lea la IP y el puerto del servidor remoto configurado;
Ingrese al ciclo infinito y use connect() para conectarse al servidor remoto. De lo contrario, vuelva a conectarse después de alcanzar el intervalo de tiempo de espera configurado;
Una vez que la conexión es exitosa, ingresa al subbucle infinito y lee y escribe a través de sendall() y recv().
3.3.2 Diseño del programa de transmisión del protocolo UDP
La transmisión UDP se denomina transmisión sin conexión. No existe un mecanismo de retransmisión de error y protocolo de enlace triple en TCP. Su programa de transmisión necesita leer la IP local configurada y el puerto, la IP remota y el puerto al mismo tiempo. Después de establecer un socket en forma de datagrama, se puede utilizar como emisor y receptor al mismo tiempo. Como extremo emisor, sendto() envía la IP y el puerto del extremo receptor remoto. Como extremo receptor, expone la IP y el puerto locales. Recvfrom() espera los datos del extremo de envío remoto y puede recibir paquetes de datos enviados desde cualquier dirección.
3.3.3 diseño del programa de reenvío de tramas de datos
El módulo de función del servidor en serie realiza la conversión entre los datos del enlace en serie y los datos de Ethernet: por un lado, recibe el marco de datos del enlace en serie, lo convierte en un marco de datos del enlace de Ethernet y lo envía; Por otro lado, recibe la trama de datos del enlace Ethernet, la convierte en una trama de datos de enlace serie y la envía. Los dos procesos de comunicación anteriores se ejecutan en paralelo y se implementan mediante subprocesos múltiples en el diseño del programa.
(1) Recepción de datos de red
En cada modo de comunicación, la recepción de datos de red se realiza en la función de devolución de llamada especificada. La función de recepción de la comunicación TCP es recv() y la de la comunicación UDP es recvfrom(). Cuando la longitud del marco de datos se acumula hasta la recepción especificada
