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(1.武漢紡織大學(xué) 數(shù)學(xué)與計算機(jī)學(xué)院，武漢 430200; 2.湖北大學(xué) 教育學(xué)院，武漢 430062)

0 引言

串口作為一種常用的串行通訊接口，由于其標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布時間早、使用簡單，使其在工控和測量設(shè)備以及部分通信設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用。很多模塊設(shè)備提供一個串口來進(jìn)行通訊，如導(dǎo)航定位模塊、讀卡器模塊、打印模塊和無線通信模塊等。當(dāng)一些應(yīng)用需要同時接有多個串口模塊時，如果系統(tǒng)串口有限，可以使用分時方式與各個模塊進(jìn)行通訊，但是在一些實(shí)時突發(fā)傳輸?shù)膱龊?，這種分時傳輸方式顯然不能夠滿足使用要求，于是對系統(tǒng)的物理串口數(shù)目需求越來越多。在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，很多嵌入式處理器的串口數(shù)目通常只有1-3個，如果有更多串口需求就需要使用軟件或外部電路擴(kuò)充串口。

串口擴(kuò)充方法很多，對實(shí)時突發(fā)性沒有要求時，可以通過模擬開關(guān)切換來分時使用串口[1]；節(jié)約成本可以使用通用IO口來模擬串口[2]；追求穩(wěn)定性和控制簡單可以使用一些專用的串口擴(kuò)展芯片[3-4]；高速和更靈活的應(yīng)用可利用FPGA芯片來實(shí)現(xiàn)[5]。

一些嵌入式處理器廠商也意識到多串口的需求，在處理器中提供了多個串口功能，相對于其他串口擴(kuò)充的方式，在處理器中提供多串口的方式具有可靠性高、傳輸速率快和實(shí)現(xiàn)容易的特點(diǎn)，且外圍電路結(jié)構(gòu)簡單。如ST公司的STM32F427/429就是其中之一。該系列芯片基于ARM Cortex-M4內(nèi)核，最高主頻能達(dá)到180 Mhz，擁有256K SRAM和512 K以上的FLASH，最多能同時提供8個串口、一個USB接口和一個以太網(wǎng)MII/RMII接口[6]。

系統(tǒng)要求采集7路讀卡信息，上位機(jī)不可用時可獨(dú)立工作，讀卡后對比已錄入的卡號給出相應(yīng)的提示和控制動作，并記錄相應(yīng)的信息。在有上位機(jī)時，可通過網(wǎng)絡(luò)或串口將相關(guān)信息上傳到上位機(jī)，并預(yù)留了USB接口。

1 系統(tǒng)硬件與軟件結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由于要求同時接收7路讀卡信息，可選一個串口或網(wǎng)口與上位機(jī)通信，一共需要8個串口和一個網(wǎng)絡(luò)接口。系統(tǒng)選用STM32F429VIT6芯片，由于傳輸距離有數(shù)十米左右，采用RS485接口傳輸，每個串口前面都接有RS485轉(zhuǎn)換芯片，各由一個GPIO端口控制轉(zhuǎn)換芯片的收發(fā)，RS485轉(zhuǎn)換芯片可選max3485等芯片，需要隔離功能時可選ADM2582等芯片。STM32F429VIT6只有MII/RMII接口并沒有PHY(物理層)接口，需要外接PHY網(wǎng)絡(luò)接口芯片，可選LAN8742、DP83848等芯片，這里選用的是DP83848。USB接口作為備選上位機(jī)通信方案，使用全速模式，無需外接接口芯片。系統(tǒng)另外外接了一片大容量SPI FLASH，用于保存卡號和記錄讀卡等信息。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和8個二線串口的引腳分配見圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

STM32F429各個模塊的初始化配置代碼使用圖形化軟件配置工具STM32CubeMX生成，該軟件可用圖形化向?qū)ё詣由沙跏蓟a[7]，庫版本是STM32Cube_FW_F4_V1.16.0。網(wǎng)絡(luò)功能選用了輕量級TCP/IP協(xié)議棧lwIP，由于系統(tǒng)需要多任務(wù)和消息隊(duì)列等功能，使用了FREERTOS操作系統(tǒng)[8]，編譯環(huán)境為MDK-Arm 5.23。4個線程分配如下：網(wǎng)絡(luò)通信用一個線程；7個串口接收使用DMA方式，共用一個線程；與PC通信串口收發(fā)各用一個線程。

2 軟件設(shè)計

2.1 串口程序設(shè)計

STM32F429的串口在其波特率的16倍采樣率下，最大波特率可達(dá)5.62 Mbit/s，在8倍采樣率下最大波特率可達(dá)11.25 Mbit/s，而且串口沒有硬件FIFO，每個串口只有一個接收和一個發(fā)送寄存器[9]，中斷接收方式已經(jīng)不能保證數(shù)據(jù)的可靠接收。即使在低波特率下，微控制器每接收一個字符都要進(jìn)入一次中斷處理程序，會使微控制器的處理時間大量浪費(fèi)，再加上8個串口可能同時接收，這時就需要用到微控制器的DMA串口接收功能。串口發(fā)送一個字時，會存入到發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器TDR，然后由串口硬件逐位發(fā)送，此時跟控制器的處理時間沒有關(guān)系；而串口發(fā)送字的字間間隔時間一般沒有明顯的時序要求，所以串口發(fā)送可以不采用DMA方式。

2.1.1 DMA配置

STM32F429擁有2個DMA控制器，每個控制器可與8個數(shù)據(jù)流中的一個連接，每個數(shù)據(jù)流可達(dá)8個通道(請求)，從其DMA請求映射表上可知8個串口的接收可以配置到2個DMA控制器的不同通道上，表1為8個串口接收功能的DMA配置。如果發(fā)送也要使用DMA方式，在表1配置的基礎(chǔ)上，只有4個串口可以使用DMA發(fā)送功能，見表2。

表1 8個串口接收功能的DMA配置

表2 在表1基礎(chǔ)上4個串口發(fā)送功能的DMA配置

每個串口接收DMA請求的配置如下：

DMA模式是循環(huán)方式，DMA源地址是串口接收數(shù)據(jù)寄存器RDR，屬于外圍設(shè)備，總是從該地址讀，源地址不知遞增，DMA目的地址是SRAM存儲器，從RDR讀取后依次存放，所以目的地址要遞增。數(shù)據(jù)寬度根據(jù)串口設(shè)置選擇，如果數(shù)據(jù)和校驗(yàn)位一起不超過8位則選一個字節(jié)，否則選半字長。

2.1.2 循環(huán)隊(duì)列

在串口和DMA初始化之后，運(yùn)行HAL_UART_Receive_DMA函數(shù)多次開啟多個串口的DMA接收，其形參分別為各串口句柄、接收緩存區(qū)和待接收的數(shù)據(jù)長度。該函數(shù)非阻塞，運(yùn)行后立即返回。隨后開始DMA自動接收，接收的串口數(shù)據(jù)依次存放在接收緩存區(qū)中，超過待接收的長度后，循環(huán)覆蓋接收緩存區(qū)。如果實(shí)現(xiàn)HAL_UART_RxHalfCpltCallback回調(diào)函數(shù)，會在收到待收數(shù)據(jù)的一半時調(diào)用，實(shí)現(xiàn)HAL_UART_RxCpltCallback回調(diào)函數(shù)，會在收到所有數(shù)據(jù)后調(diào)用。要獲取其他接收到的數(shù)據(jù)長度時要使用__HAL_DMA_GET_COUNTER (__HANDLE__)宏，該宏返回DMA中剩余要傳輸?shù)拈L度，因此接收到的長度等于待接收的數(shù)據(jù)長度減去該宏返回的值，當(dāng)接收到所有待接收長度的數(shù)據(jù)后，該宏返回0，此時處理不當(dāng)會丟失數(shù)據(jù)。

可以把串口接收DMA緩存看作一個循環(huán)隊(duì)列，寫該緩存由DMA控制，用戶無法干預(yù)，寫滿后自動從頭開始，同時更新剩余要傳輸?shù)拈L度。如果用戶無法在緩存循環(huán)覆蓋前讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)就會丟失，可根據(jù)情況調(diào)整DMA緩存長度UART_SIZE，即使發(fā)生覆蓋，最近的長度為UART_SIZE的數(shù)據(jù)是可讀取的，這跟普通循環(huán)隊(duì)列有所不同。一次DMA已傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度為len=UART_SIZE-_HAL_DMA_GET_COUNTER，用戶維護(hù)已讀數(shù)據(jù)長度read和已接收到的數(shù)據(jù)總長度total，初始都賦值為0，在UART_RxCpltCallback中更新接收到的數(shù)據(jù)總長度total+= UART_SIZE，而該回調(diào)函數(shù)只在DMA接收完數(shù)據(jù)后調(diào)用。實(shí)現(xiàn)ReadFromDMA函數(shù)從指定串口DMA緩存區(qū)讀取指定長度數(shù)據(jù)，并返回實(shí)際讀取的數(shù)據(jù)長度，該函數(shù)非阻塞。

圖2為循環(huán)接收緩存示意，表3列舉了UART_SIZE=8時DMA接收緩存處理實(shí)例。ReadFromDMA函數(shù)首先判斷總長度total和已讀長度read的大小，如read大于等于total，說明本次DMA接收數(shù)據(jù)長度還沒到UART_SIZE，可讀數(shù)據(jù)緩存區(qū)從read Mod UART_SIZE開始，長度為len-(read Mod UART_SIZE)，如表3中第1和第2數(shù)據(jù)行。如果read小于total，要判斷接收數(shù)據(jù)總的長度(total+len)-read與緩存長度的大小，如果前者大，說明上次讀后發(fā)生循環(huán)覆蓋，說明有數(shù)據(jù)沒有及時讀取，已經(jīng)覆蓋了部分?jǐn)?shù)據(jù)，可讀數(shù)據(jù)緩存區(qū)從len后面開始，可能的數(shù)據(jù)長度就是UART_SIZE，如表3中第4和第5數(shù)據(jù)行；如前者小于等于后者，可讀數(shù)據(jù)緩存區(qū)從read Mod UART_SIZE開始，長度為UART_SIZE -(read Mod UART_SIZE)+ len，如表3中第3數(shù)據(jù)行。實(shí)際UART_SIZE可取128、256等，這樣上述的Mod在C語言中的操作read%UART_SIZE可替換為read&(UART_SIZE-1)。

圖2 DMA接收緩存

totalreadlen接收總長可讀起始地址可讀長度數(shù)據(jù)丟失024422否81161433否161111736否161172378是802058558是

2.1.3 超時處理

串口接收的數(shù)據(jù)幀可能是不定長或定長的，不定長的數(shù)據(jù)幀需要解析其協(xié)議，得到該幀數(shù)據(jù)長度，從而讀取完整的一幀數(shù)據(jù)，定長的數(shù)據(jù)幀直接接收定長數(shù)據(jù)即可。不論定長或不定長的數(shù)據(jù)幀，當(dāng)接收到一個不完整的數(shù)據(jù)幀時，如果沒有幀的超時處理，會把后面一幀部分?jǐn)?shù)據(jù)當(dāng)作前面幀的一部分，會導(dǎo)致大量后續(xù)幀數(shù)據(jù)錯誤，甚至可能一直無法接收到一個正確的完整數(shù)據(jù)幀。

串口超時接收可以利用HAL_GetTick函數(shù)實(shí)現(xiàn)，該函數(shù)返回系統(tǒng)運(yùn)行的ticks數(shù)(1毫秒)，通過接收前后調(diào)用獲取時間差以及待接收和實(shí)際接收的數(shù)據(jù)長度來判斷是否超時。

2.1.4 幀協(xié)議處理

一般工程中的串口協(xié)議相對簡單，但是在實(shí)際中經(jīng)常會遇到一些問題。如首次收發(fā)失敗，后續(xù)正常；收發(fā)失敗后重試多次才能成功，甚至不可恢復(fù)；RS485需要多發(fā)一個字節(jié)等等，這些問題很大部分都是軟件引起的。如串口初始化不當(dāng)可能導(dǎo)致首次收發(fā)失敗，對RS485收發(fā)芯片的收發(fā)引腳控制時機(jī)不當(dāng)導(dǎo)致需多發(fā)數(shù)據(jù)。下面通過工程中遇到的兩個典型幀協(xié)議說明接收的處理方法，這里只討論數(shù)據(jù)的完整接收，并不涉及到數(shù)據(jù)的校驗(yàn)，校驗(yàn)信息可以包含在數(shù)據(jù)中。

當(dāng)數(shù)據(jù)幀是定長時，例如如表4所示的一種讀卡器的協(xié)議，可以直接一次接收18個字節(jié)，然后判斷結(jié)束標(biāo)記字符。不加超時功能時，一旦有非18個字節(jié)數(shù)據(jù)，例如只收到16字節(jié)，數(shù)據(jù)不足，會用接收的下一幀數(shù)據(jù)的前2字節(jié)補(bǔ)入，這樣導(dǎo)致后續(xù)讀到的數(shù)據(jù)都有誤。增加接收18個字節(jié)的超時功能后，如只收到部分?jǐn)?shù)據(jù)，超時時間到會放棄該次接收的數(shù)據(jù)，后一幀數(shù)據(jù)正常則能恢復(fù)正常接收。這種方法啟動超時的時刻需要保證是在接收到第一個字節(jié)后，如果不是，例如啟動接收就開始超時計時，數(shù)據(jù)可能在超時結(jié)束的時候才收到部分?jǐn)?shù)據(jù)，另外一部分?jǐn)?shù)據(jù)就丟失了，如圖3所示。如果某種情況下收到的數(shù)據(jù)多于18字節(jié)，如果前18字節(jié)不是完整數(shù)據(jù)，也會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。這些異常一般情況下出現(xiàn)的機(jī)率不大，但在收發(fā)方調(diào)試的情況下經(jīng)常出現(xiàn)。

表4 定長數(shù)據(jù)幀示例

圖3 數(shù)據(jù)在超時即將結(jié)束時出現(xiàn)

系統(tǒng)采用的接收方法流程如圖4所示，就是每接收到18個字節(jié)判斷最后兩個字節(jié)是否是0D 0A，是則為接收到完整一幀，否則丟棄前面一個字節(jié)，再接收一個字節(jié)，然后判斷最后兩個字節(jié)是否是0D 0A，如此循環(huán)。每接收一個字節(jié)后判斷是否超時，超時后丟棄所有接收的內(nèi)容。算法保存最近接收的18個字節(jié)內(nèi)容，沒有使用循環(huán)隊(duì)列，所以當(dāng)收到的18個字節(jié)不是完整幀時，丟棄前面一字節(jié)，然后后面字節(jié)依次左移一字節(jié)?？梢姳?這種幀標(biāo)記在數(shù)據(jù)后面的協(xié)議并不方便接收處理。

圖4 定長協(xié)議幀接收處理流程

當(dāng)數(shù)據(jù)幀是不定長時，例如表5所示的協(xié)議，則處理流程如圖5所示。比較定長和不定長數(shù)據(jù)幀的處理流程，可以發(fā)現(xiàn)并不是串口通信協(xié)議簡單，處理就簡單，一個好的串口協(xié)議才能簡化程序的處理流程。

表5 不定長數(shù)據(jù)幀示例

圖5 不定長協(xié)議幀接收處理流程

2.2 上位機(jī)通信串口

系統(tǒng)工作時，要求隨時可以接收上位機(jī)的命令，所以單獨(dú)使用一個線程接收上位機(jī)命令并處理。在接收到讀卡信息后，有可能設(shè)置讀卡信息實(shí)時上傳，如果加上上位機(jī)的通信應(yīng)答，可能有多條串口數(shù)據(jù)要發(fā)送，這些發(fā)送的動作可能在不同的線程中，而與上位機(jī)通信串口只有一個，由于線程的調(diào)度可能會導(dǎo)致一條數(shù)據(jù)發(fā)送了部分然后切換到另外一個線程發(fā)送數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致接收的數(shù)據(jù)混亂。這就要求串口發(fā)送必需保證一個數(shù)據(jù)幀完全發(fā)送完后才能發(fā)送另外一幀，這里采用一個獨(dú)立的線程單獨(dú)處理與向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送的數(shù)據(jù)通過消息隊(duì)列排隊(duì)，串口向上位機(jī)發(fā)送流程圖如圖6所示。

圖6 串口向上位機(jī)發(fā)送流程圖

雖然7個串口可能同時接收數(shù)據(jù)，然后與上位機(jī)通信，但是每個串口的接收間隔卻較長(刷卡間隔一般為秒級)，在此間隔內(nèi)所有數(shù)據(jù)都可以上傳到上位機(jī)，對于8個串口，消息隊(duì)列長度不小于8即可。消息隊(duì)列中帶的是數(shù)據(jù)對象的地址，入隊(duì)列時需要各個串口使用不同的發(fā)送緩存區(qū)，在此使用了動態(tài)內(nèi)存分配，消息取出后再釋放。

2.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧使用STM32CubeMX自帶的輕量級TCP/IP協(xié)議棧lwIP，是一個小型的開源協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是保持TCP主要功能的基礎(chǔ)上減小對系統(tǒng)資源的占用，它需要的RAM和ROM在幾十K以下[10]。lwIP有3種編程接口，分別是RAW、NETCONN和SOCKET。RAW使用回調(diào)機(jī)制，編程接口不需要操作系統(tǒng)的支持，但其編程接口稍復(fù)雜；NETCONN接口相對SOCKET接口來說更底層，SOCKET接口被廣泛熟知，使用更方便，這兩種編程接口都需要有操作系統(tǒng)的支持。

這里使用SOCKET方式編程，采用UDP協(xié)議傳輸，網(wǎng)絡(luò)通信線程流程如圖7所示。網(wǎng)絡(luò)通信速度相比串口要快很多，只用了一個線程來處理數(shù)據(jù)收發(fā)，多個串口讀卡信息同樣通過消息隊(duì)列排隊(duì)，再經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送至上位機(jī)。

圖7 網(wǎng)絡(luò)通信線程流程圖

3 系統(tǒng)測試與分析

網(wǎng)絡(luò)測試中發(fā)現(xiàn)如上電時不插網(wǎng)線，系統(tǒng)啟動后再插入網(wǎng)線，網(wǎng)絡(luò)功能無法使用。從現(xiàn)象看可能是網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)改變時協(xié)議棧沒有得到通知，通過下面步驟解決了這個問題。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生改變時的回調(diào)函數(shù)ethernetif_notify_conn_ changed，在該函數(shù)中判斷連接標(biāo)記，如果不是UP狀態(tài)，首先調(diào)用netif_set_link_up函數(shù)，再更改連接標(biāo)記。

解決上述問題后發(fā)現(xiàn)在運(yùn)行中插拔網(wǎng)線后，網(wǎng)絡(luò)也無法正常工作。當(dāng)插拔網(wǎng)線的時候，PHY芯片會產(chǎn)生外部中斷，在這個中斷中重新初始化網(wǎng)絡(luò)，外部中斷要手工增加。首先將DP83848的第7腳PWR_DOWN/INT配置為中斷輸出，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生改變時，該引腳電平會被拉低，配置微控制器對應(yīng)的引腳為下降沿觸發(fā)中斷，在中斷處理函數(shù)中后讀DP83848的中斷狀態(tài)寄存器，確定是網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生改變時再調(diào)用ETH_MACDMAConfig和HAL_ETH_Init函數(shù)，重新初始化網(wǎng)絡(luò)。

本系統(tǒng)接收特點(diǎn)之一是7路串口數(shù)據(jù)可能同時到達(dá)，在這種情況下，DMA接收方式可以及時讀取并保存每個串口RDR中的數(shù)據(jù)。另一個特點(diǎn)是讀卡都有一個秒級的間隔時間，每路讀卡數(shù)據(jù)經(jīng)波特率為115200 b/s的串口上傳至上位機(jī)需要2毫秒不到的時間，另外由于發(fā)送隊(duì)列的存在，不論多路讀卡信息何時到，讀卡間隔時間也足以滿足數(shù)據(jù)上傳。

讀卡器波特率為9600 b/s，系統(tǒng)7路串口也設(shè)為該速率。測試方案一為7路同時讀卡，手工刷卡很難做到這一點(diǎn)，采用模擬讀卡的方式，直接向讀卡串口同時發(fā)送卡信息，間隔2秒，測試中7路讀卡接收無數(shù)據(jù)丟失。測試方案二為等間隔讀卡，依次輪流向7路串口發(fā)送卡信息，每次發(fā)送間隔280 ms，上傳到上位機(jī)的數(shù)據(jù)無丟失。測試方案三為隨機(jī)多次模擬和人工刷卡，模擬讀卡要設(shè)置好每路發(fā)送間隔時間大于2秒，多次測試7路讀卡串口無數(shù)據(jù)丟失，上傳到上位機(jī)的數(shù)據(jù)無丟失。

4 結(jié)束語

利用STM32F429片內(nèi)的多串口和網(wǎng)絡(luò)接口功能，設(shè)計了多串口并發(fā)通信系統(tǒng)，接收多路同時到達(dá)的數(shù)據(jù)，相對于其他串口擴(kuò)充的方法，無外擴(kuò)電路，速度高且各串口可工作于不同的速率，測試表明多并發(fā)串口傳輸無數(shù)據(jù)幀丟失。受限于了讀卡器波特率和要求一路串口上傳至上位機(jī)，并沒有測試更高的傳輸速率，STM32F429的DMA模塊每通道有一個16字節(jié)的FIFO，更高的串口傳輸速率可以考慮使用。該設(shè)計可供相似應(yīng)用參考，也可作為網(wǎng)絡(luò)多串口服務(wù)器和USB多串口采集系統(tǒng)參考。