一种具有简单交换管理功能的工业网络交换串口服务器的制作方法

本实用新型涉及串口服务器领域，具体是一种具有简单交换管理功能的工业网络交换串口服务器。

背景技术：

随着工业生产自动化的要求越来越高，现有工业现场底层的大量串口设备需要接入到上层控制信息系统的以太网上，以便于实现整个系统的信息自动采集与管理。串口服务器一边连接着底层串口设备，如各种传感器、检测设备和控制器，另一边与更高层次的管理信息系统相连接，将本来只能依靠串口短距离、低速率、小范围传播的信息数据迅速扩大传播范围，为更智能的工业现场控制与管理提供了基础条件。

专利(CN 107360053)提出了一种基于S3C2440芯片的工业级串口服务器，是目前典型的一类串口服务器，其主要缺点是还没有千兆网口，与目前更高速的千兆网连接时需要经过转接装置；其次在组网时，目前的串口服务器大多只能树状组网，可靠性低、布线组网相对较为麻烦；此外由于采用普通的单片机嵌入式系统，存储空间和程序复杂程度有限，实现复杂网络管理的后续升级能力有限。

因此，提供一种具有两个千兆网口，高速网连接方便可靠，后续升级能力充足，且对工业环境具有更高适应性，更高抗干扰能力，多串口的具有简单交换管理功能的工业网络交换串口服务器是本实用新型亟待解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型是针对现有的串口服务器存在的上述问题，提供一种具有双千兆以太网口、具有高可靠性、可实现较复杂网络管理，同时具有16路串口通讯能力的工业网络交换串口服务器。

一种具有简单交换管理功能的工业网络交换串口服务器，包括处理器-存储器电路、与处理器-存储器电路连接的电源模块，其特征在于：还包括与处理器-存储器电路连接的网口收发模块、串口收发模块，所述处理器-存储器电路由处理器、存储系统和调试模块组成，所述网口收发模块包括依次连接的PHY芯片、网络变压器以及网络接口电路，所述PHY芯片采用两个AR8035芯片连接到网络变压器，网络变压器引出的网络接口构成两路千兆网口，所述串口收发模块包括串口扩展电路以及16路串行接口电路，所述串口扩展电路用于将处理器的SPI接口进行一分四，从而变成16路的TTL电路，再连接到相应的光耦隔离和串口芯片构成16路串行接口电路。

进一步的，所述处理器采用AM3352芯片。

进一步的，所述PHY芯片采用两个AR8035芯片构成。

进一步的，所述串口扩展电路采用WK2166芯片。

进一步的，所述调试模块与所述处理器的一路调试异步串口连接，外接为232/485/422串口作为串口服务器的调试连接方式。

进一步的，所述外接接口在形式上，232串口可以选择DB9或RJ45；485和422串口可以选择凤凰端子或RJ45。

本实用新型通过网口收发模块中的PHY芯片实现构造了两个千兆网口，这样高速网连接方便可靠，后续升级能力充足，且对工业环境具有更高适应性，更高抗干扰能力，所述串口收发模块的串口扩展电路将处理器的SPI接口进行一分四，从而变成16路的TTL电路，这样即可实现多串口的具有简单交换管理功能的工业网络交换串口服务器。

附图说明

图1是本实用新型具有简单交换管理功能的工业网络交换串口服务器的电路总体结构框图；

图2是本实用新型中电源模块的部分原理图；

图3是本实用新型中通过WK2166将SPI分为4路串口电路的部分原理图；

图4是本实用新型的系统总体流程图；

图5是本实用新型中网口Socket通信流程图；

图6是本实用新型中串口通信流程图；

图7是本实用新型中前面板接口结构图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参阅图1，本实用新型具有简单交换管理功能的工业网络交换串口服务器其中一个实施例包括处理器-存储器电路、网口收发模块、串口收发模块、电源模块，服务器的前面板设有前面板接口及指示灯，所述处理器-存储器电路由处理器、存储系统和调试模块组成，其中所述处理器采用AM3352芯片，作为核心处理器，所述存储系统由256M的DDR和2G的Flash组成。

所述网口收发模块包括依次连接的PHY(physical layer，物理层)芯片、网络变压器以及网络接口电路，所述PHY芯片采用两个AR8035芯片连接到网络变压器，网络变压器引出的网络接口构成网络接口电路，即两路千兆网口。所述串口收发模块包括串口扩展电路以及16路串行接口电路，本实用新型串口扩展电路采用WK2166芯片，利用WK2166芯片将主处理器的SPI接口进行一分四，从而变成16路的TTL电路，再连接到相应的光耦隔离和串口芯片构成16路串行接口电路，这些TTL串口可以根据实际需要，连接相应的485/232/422收发模块组成对应的异步串口接口。AM3352处理器作为串口服务器的核心枢纽，对来自串口收发模块和网口收发模块的数据进行格式转换和通信控制，实现串口服务器数据转换传输的基本功能。整个串口服务器系统基于Linux系统，这是一个开源的、成熟的，支持多线程、多任务的操作系统，搭配256M的DDR和2G的Flash的存储系统，整个串口服务器系统具有了很完整的系统操作能力和升级储备能力。两路千兆网口为串口服务器在联网时组成环网提供了物理基础，程序部分搭载的网络管理协议使得环网能有效运行，为串口服务器构建的网络提供了更高的可靠性保障。此外，串口服务器为网络管理者提供了串口通讯、SSH网口通讯、网页通讯等多种方式来便于网络设置与管理。

在处理器-存储器电路部分，还包括存储系统和调试模块两个部分。其中：调试模块连接AM3352的一路调试异步串口，外接为232串口作为串口服务器的调试连接方式，这里的232串口可以使用RJ45接口，也可以使用典型的DB9接口；256M的DDR(NT5CC128M16P-DI)和2G的Flash(S34ML02G100TF1000)组成了串口服务器的存储系统，为串口服务器的各种程序运行、代码和配置信息保存提供了充足可靠的内存和存储空间。

本实用新型选择AM3352处理器作为核心处理器，运行着Linux操作系统，为整个串口服务器系统提供运算和处理服务。AM335x系列微处理器是基于ARM Cortex-A8架构的微处理器，在图像、图形处理、外设以及EtherCAT和PROFIBUS等工业接口选项方面得到了增强，支持高级操作系统。具有高达1GHz 32位精简指令集计算机(RISC)处理器；64KB通用片上存储器控制器(OCMC)随机存取存储器(RAM)；16位数据总线，1GB全部可寻址空间等特点。

如图2原理图所示，所述电源模块主要基于URB2403YMD-10WR3电源模块，在9-36V的宽电压范围内都可以稳定的输出3.3V的稳定电压，为串口服务器的正常运行提供保障。在电源模块之前，电源采用两路冗余电路设计，在两路供电时，确保任何一路电源失常设备都可以正常工作。电源模块对每一路电源信号进行采集，经过信号转化控制对应电源灯的通断，对外显示电源供应状态。此外，电源模块还要对产生的3.3V电压进行进一步滤波、变压，使其适配相应芯片和电路的正常工作。

如图3所示，本实用新型采用WK2166串口扩展芯片，将SPI通信接口扩展成16路异步串口接口。其中的SPI_DI、SPI_DO、SPI_CLK和SPI_CS分别为SPI通信设备数据输入信号、设备输出信号线、时钟信号和片选信号。每路SPI通道加上片选控制信号CS0和CS1可以分别连接两块串口扩展芯片，每片扩展芯片可以将SPI通道扩展成4个异步串口通道，串口可以根据实际需要选择485/422/232任意一种协议。在外接接口形式上，232可以选择DB9的接口，也可以选择RJ45的接口端子；485和422可以选择凤凰端子，也可以选择RJ45的接口端子。

AM3352处理器在Dual EMAC模式下，可以配置成双网口模式。AM3352处理器的网络接口通过外连两块千兆以太网芯片AR8035/AR8031/AR8032，为双千兆网口的实现提供基础。经过PHY的两路千兆网口信号通过网络变压器，如H5012，实现对网络模块的隔离保护。网口模块的对外连接端子一般选择RJ45端子形式。

整个串口服务器的软件基于Linux内核，增加了针对各芯片、网口和串口的驱动程序，串口、网口通信与数据传送程序，网页、SSH和串口配置程序等构成。

串口服务器系统总体流程如图4所示，在系统上电后，首先进行系统初始化，接着读取配置参数文件，并配置相应串口、网口和连接状态。接下来系统分别启动console服务端、SSH服务端和Web服务器，等待管理用户登录更改配置信息。以上三种配置方式中，Web服务器和SSH配置均是通过管理网口登录的，可以远程登录管理，方便网络管理员操作；console登录配置是一种机旁串口直连登录方式，可以在网口、网络发生故障或不便时，提供直接配置操作方式，同时这种方式也是优先级最高的一种配置方式。三种配置方式都可以更改串口、网口和连接状态配置信息，升级更新软件版本，排查故障等。在三种配置方式中，web服务器配置是以页面图形化方式实现配置更新的，便于直观操作；SSH和Console是以命令行形式实现配置更新的。

串口服务器的以太网通信基于socket套接字，其典型TCP通信流程如图5所示。Socket通信基于通信双方的IP地址和端口号进行标识，分为服务器端和客户端。服务器端首先创建Socket套接字，绑定端口号列表，监听对方端口号队列，等待连接；客户端在需要发起会话时创建套接字，向对应服务器端口号发起连接请求；服务器端口在未被占用的情况下响应连接请求，建立连接；双方开始发送或接收数据；在客户端完成会话或者服务器端检测到故障时，连接结束，释放相应套接字。

串口服务器的两个千兆网口可以相互通信，具备数据转发能力，可以实现交换功能。在利用本串口服务器组件交换网络的环形网时，依靠搭载的快速生成树协议和ERPS等破环协议，在串口服务器系统中进行配置设置后，可以排除网络风暴发生的可能，实现简单网络管理功能。

串口服务器的串口-网口数据转发是其作为串口服务器的核心功能，其总体运行流程如图6所示。在管理配置完成后，串口服务器读取配置参数，配置相应串口的波特率、奇偶校验位和停止位，选择相应需要的N(N<＝16)个串口并打开；接下来，系统创建2N个进程，每两个进程一组，分别负责串口-网口和网口-串口的数据转移传输；串口-网口进程负责监听串口有无数据输入，在检测到数据输入时，检查此时串口对应的网口端口是否已经建立连接，若没有，则放弃数据，若已经建立了连接，则通过Socket套接字将数据转发至对应网口；网口-串口进程则监测对应网络端口是否建立了连接，当建立了连接时，若通过Socket套接字收到数据，则将数据按照对应串口配置状态转发至相应串口，完成一路串口-网口间的数据通信服务。以此类推，N组进程分别控制N路串口-网口之间的数据转发服务，实现串口服务器核心通信功能。

图7所示是前面板的一种结构图。其中以太网口有两个，485接口十六个。同时装有6个指示灯，分别为电源灯(2只)、网口灯(2只)、报警灯和运行灯。电源灯指示串口服务器的电源接通状况，每一只灯指示相应路的电源状况；网口同电源灯效果相同；运行灯，每秒闪一次，显示串口服务器运行正常；告警灯用于串口服务器内设置的一些告警指示时亮起，如温度过高，系统过载等。