工业控制中，各设备的信号采集和监控只靠串口总线难以实现扩展，要将现场控制网络和信息网络相连，就需要解决串口通信协议和因特网通信协议的转换问题，即把原有设备转换为具备网络接口的外设，这样可以将传统串行链路上的数据传输到信息网络上，而无需更换原有设备。如此，可以提高原有设备利用率、增加多终端连接数、节约成本、简化布线的复杂度及延长通信距离。

　　近年来，因信息化和物联网发展的需要，串口服务器大量涌现，它们不占用主机资源，且具有终端服务器的功能。不过，设备体积庞大、价格昂贵、串口不易裁剪或扩展、传输大量数据帧时丢包、参数配置繁杂等问题也随之出现。

　　本设计采用的串口服务器的核心设备--树莓派，是一款体积小、价格便宜但功能非常强大的平台，可通过多种通信方式接入互联网，支持多种完整网络协议，结合USB-hub及USB/串口转换器使用，可保证串口服务器使用方便，并实现实时、准确、长时间稳定的数据传输。

　　1 总体设计

　　根据当今工业现场数据传输需求，应具备的技术指标和设置参数如下。

　　1.1 技术指标

　　①主控芯片：32位700 MHz的ARM1176JZF-S处理器；

　　②操作系统：Linux;

　　③支持协议：TCP/IP、UDP、HTTP、FTP;

　　④网络接口：10/100 Mbps自适应以太网接口；

　　⑤串口类型：1~16个RS 232/RS485/RS422接口，1个TTL电平串口；

　　⑥参数配置方式：WEB浏览器配置；

　　⑦会话数：支持多连接，满足5个以内用户同时管理一个模块设备；

　　⑧工作模式：TCP客户端、TCP服务器、UDP广播模式；

　　⑨指示灯：电源指示灯、通信指示灯；

　　⑩供电电压：5 V.

　　1.2 设置参数

　　该设备选择WEB浏览器设置方式，内置WEB服务器，用户可进行IP地址、串口通信参数、工作模式等的管理和配置。以下主要介绍串口通信和工作模式参数的设置。

　　（1）串口通信参数

　　①波特率为2 400~115 200 bps;

　　②数据位为6/7/8/9;

　　③校验位为None/Even/Odd;

　　④停止位为1/1.5/2;

　　⑤成帧长度为1~15000字节；

　　⑥成帧间隔为30~500位。

　　其中，成帧长度指每一帧接收数据的长度，接收端缓冲区一旦接收到该长度的数据就转发出去；成帧间隔就是所谓的串口超时，超时时间T（s）、成帧间隔N（位）、波特率B（b/s）的关系如下。一旦超时，不管已有数据长度是不是达到成帧长度，接收端缓冲区就将已有数据组帧转发出去。

　　T= N/B （1）

　　（2）工作模式参数

　　①单个串口支持会话数为1~5个，每个会话模式间相互独立；

　　②TCP服务器模式为绑定端口范围为1025~65535;

　　③TCP客户端模式为需配置目标服务器IP、端口及自动重连时间，其中自动重连时间指网络连接中断或者服务器异常时，重新发起主动连接的时间间隔，循环自动重连直到正常连接上为止；

　　④UDP广播模式为需配置本地端口、目标服务器IP和目标端口。

　　2 硬件设计

　　此串口服务器根据以上指标选用最新的树莓派、USB-hub及北京世纪联信公司生产的USB/四串口转换器组合而成。

　　2.1 硬件结构组成

　　串口服务器硬件结构组成如图1所示，树莓派具有两个USB接口、一个TTL串口及一个10/100 MHz自适应以太网接口。一个USB接口通过USB-hub和n（可据情况选择，最多时n=4）个USB/串口转换器扩展出4n个RS232/RS422/RS455串口，另一个可外接无线USB网卡，从而实现局域网或广域网中有线或无线数据传输。

图1 硬件结构框图

　　2.2 树莓派简介

　　树莓派（Raspberry Pi）是一款基于Linux系统的只有一张信用卡大小的单板计算机，配备一枚博通生产的700 MHzARM架构BCM2835处理器，512 MB内存，使用SD卡当作存储介质，操作系统采用开源的Linux系统，提供并支持Python作为主要编程语言。

　　2.3 USB-hub简介

　　USB-hub（USB集线器）是一个将多个USB设备连接到计算机上的USB接口或另一个USB集线器上某时候，它们都来自于主板内部一个或者两个主USB接口，而不是相互独立的硬件。一个USB接口、一个USB集线器和若干个外围设备可以构建一个USB网络。本系统选用的USB-hub由一个USB接口扩展出4个USB接口。

　　2.4 USB/串口转换器简介

　　USB/串口转换器选用北京世纪联信LENSYS-USB2COM-4模块。它是一种导轨安装式串口扩展模块，实现了用USB口扩展4串口的功能，可以通过USB快速扩展四个计算机串口，通过拨码开关设定RS 232/422/485接口方式，还可以实现4个RS 232转4个RS422/485的功能。通过该模块能够可靠、实时、便捷地完成工业现场RS232/485/422信号的传输和转换，广泛应用于石油天然气、水利、电力调度、市政调度等行业。

　　3 软件设计

　　此串口服务器软件设计基本结构如图2所示，客户端只是WEB浏览器，软件设计则主要体现为服务器端的网页展现、业务逻辑和数据存储。

　　WEB服务器负责串口服务器通信参数的手动配置和存储、通信程序的手动启停等；应用服务器负责实现TCP/IP网络与串行接口设备的互通，完成TCP/IP协议格式的数据与串行数据间的相互转换；数据库主要包含用户管理数据表、串口参数配置数据表、工作模式配置数据表。

图2 软件设计基本结构图

　　下面介绍串口服务器软件设计中3个主要任务：WEB服务器的设计、WEB配置页面的设计和串口联网通信程序的设计。

　　3.1 WEB服务器的设计

　　由于串口数量较多，所以在树莓派中植入WEB服务器，由WEB服务器将用户的请求转换为对后台数据的查询或更新，并将友好的图形界面在浏览器上展示给用户，实现简便统一的远程通信参数配置、设备管理、用户管理、监控串口服务器运行状态。

　　本串口联网服务器选择树莓派自带的Python作为开发语言，采用小巧而灵活的web.py开发框架提供HTTP服务，其轻量级满足采集系统对数据传输模块的要求，可以提高系统的使用效率，WEB服务器设计流程如图3所示。