30路串口+6路網(wǎng)口的通訊管理機方案
英創(chuàng)工控主板以多串口和多網(wǎng)口作為特色，已經(jīng)推出了多種擴展方案，被用戶廣泛使用在工控領(lǐng)域中。為了滿足更多的通訊接口需求，英創(chuàng)公司推出了基于ESM7000或ESM6802主板，具有30路串口+6路網(wǎng)口的整機方案。該方案由主板自帶的6路串口和2路網(wǎng)口，加上擴展出24路串口和4路網(wǎng)口構(gòu)成，其接口資源應(yīng)該能滿足絕大部分的應(yīng)用需求了。
| 主板型號 | 板載串口 | 板載網(wǎng)口 | 擴展串口 | 擴展網(wǎng)口 |
| ESM6802 | 6路 | 2路 | 24路 | 4路 |
| ESM7000 | 6路 | 2路 | 24路 | 4路 |
擴展原理
硬件組成
英創(chuàng)公司設(shè)計了兩款擴展模塊來實現(xiàn)這一擴展方案，它們是24路串口擴展模塊ETA524和4路100M以太網(wǎng)口模塊ETA8152。用戶可利用英創(chuàng)公司成熟的評估套件，對這兩個模塊同時進行評估。
ETA524模塊通過ISA總線擴展來實現(xiàn)24路串口，所擴展的每一路串口最高波特率均可達到115200bps，信號電平均為3.3V TTL。模塊外形尺寸為70mm×46mm，與主板一樣是插在應(yīng)用底板上工作。ETA524的這種設(shè)計使得用戶既能快速方便的對它進行評估，又能很好的融入用戶自己的產(chǎn)品設(shè)計中。在用戶自己做應(yīng)用底板時，僅需要在應(yīng)用底板上對每路串口做適當驅(qū)動即可，ETA524可以作為一個“器件”背插在用戶的應(yīng)用底板上，以獲得最佳的數(shù)據(jù)傳輸性能。
ETA524串口擴展模塊
其中CN1是ETA524和精簡ISA總線連接的接口，定義如下圖：
ISA總線接口信號 | CN1 | ISA總線接口信號 | |
PIN# | PIN# | ||
RESET#，復(fù)位，低電平有效 | 1 | 2 | ISA_ADV#，地址鎖存，低電平有效 |
ISA_SD0，地址數(shù)據(jù)總線 | 3 | 4 | ISA_SD4，地址數(shù)據(jù)總線 |
ISA_SD1，地址數(shù)據(jù)總線 | 5 | 6 | ISA_SD5，地址數(shù)據(jù)總線 |
ISA_SD2，地址數(shù)據(jù)總線 | 7 | 8 | ISA_SD6，地址數(shù)據(jù)總線 |
ISA_SD3，地址數(shù)據(jù)總線 | 9 | 10 | ISA_SD7，地址數(shù)據(jù)總線 |
MSL#，模塊選擇 | 11 | 12 | ISA_WE#，數(shù)據(jù)寫，低電平有效 |
GPIO9，中斷IRQ4，上升沿有效 | 13 | 14 | ISA_RD#，數(shù)據(jù)讀，低電平有效 |
GPIO8，中斷IRQ3，上升沿有效 | 15 | 16 | ISA_CS#，總線片選，低電平有效 |
GPIO25，中斷IRQ2，上升沿有效 | 17 | 18 | +5V，電源輸入 |
GPIO24，中斷IRQ1，上升沿有效 | 19 | 20 | GND，公共地 |
CN2-CN4分別是擴展出來的串口，定義如下：
接口信號 | CN3 | 接口信號 | |
PIN# | PIN# | ||
COM1_TXD | 1 | 2 | COM1_RXD |
| COM2_TXD | 3 | 4 | COM2_RXD |
| COM3_TXD | 5 | 6 | COM3_RXD |
| COM4_TXD | 7 | 8 | COM4_RXD |
| COM5_TXD | 9 | 10 | COM5_RXD |
| COM6_TXD | 11 | 12 | COM6_RXD |
| GND，公共地 | 13 | 14 | VCC，+5V電源輸出 |
| COM7_TXD | 15 | 16 | COM7_RXD |
接口信號 | CN2 | 接口信號 | |
PIN# | PIN# | ||
COM8_TXD | 1 | 2 | COM8_RXD |
COM9_TXD | 3 | 4 | COM9_RXD |
| COM10_TXD | 5 | 6 | COM10_RXD |
| COM11_TXD | 7 | 8 | COM11_RXD |
| COM12_TXD | 9 | 10 | COM12_RXD |
| COM13_TXD | 11 | 12 | COM13_RXD |
| COM14_TXD | 13 | 14 | COM14_RXD |
| COM15_TXD | 15 | 16 | COM15_RXD |
| COM16_TXD | 17 | 18 | COM16_RXD |
| COM17_TXD | 19 | 20 | COM17_RXD |
接口信號 | CN4 | 接口信號 | |
PIN# | PIN# | ||
| COM18_TXD | 1 | 2 | COM18_RXD |
| COM19_TXD | 3 | 4 | COM19_RXD |
| COM20_TXD | 5 | 6 | COM20_RXD |
| COM21_TXD | 7 | 8 | COM21_RXD |
| COM22_TXD | 9 | 10 | COM22_RXD |
| GND，公共地 | 11 | 12 | VCC，+5V電源輸出 |
| COM23_TXD | 13 | 14 | COM23_RXD |
| COM24_TXD | 15 | 16 | COM24_RXD |
引出的串口均為TTL信號，用戶可根據(jù)需求在外部進行轉(zhuǎn)換。例如轉(zhuǎn)換成RS232或者RS485，英創(chuàng)公司在光盤資料中都提供有電路供用戶參考。
網(wǎng)絡(luò)擴展模塊ETA8152集成了4片r8152芯片，可以通過USB擴展出4路網(wǎng)口，單獨一路擴展網(wǎng)口的速度均可以達到90Mbit/s以上。如果同時使用，每一路速度可以達到40Mbit/s以上。
ETA8152采用了mini-PCIe模塊的標準尺寸，使模塊安裝極為方便，所有的高速網(wǎng)絡(luò)信號集中在一個插座上，按常規(guī)PCB布線即可連接至底板RJ45網(wǎng)口座。
ETA8152網(wǎng)絡(luò)擴展模塊
ETA8152的管腳定義如下：
ISA總線接口信號 | ISA | ISA總線接口信號 | |
PIN# | PIN# | ||
| ETH4_RXP，以太網(wǎng)4差分輸入 | 51 | 52 | +3.3V 電源輸入 |
| ETH4_RXN，以太網(wǎng)4差分輸入 | 49 | 50 | 電源地（GND） |
| ETH4_TXP，以太網(wǎng)4差分輸出 | 47 | 48 | - |
| ETH4_TXN，以太網(wǎng)4差分輸出 | 45 | 46 | ETH4_LED_ACT_B，數(shù)據(jù)指示 |
| ETH3_RXP，以太網(wǎng)3差分輸入 | 43 | 44 | ETH4_LED_LINK_B，連接指示 |
| ETH3_RXN，以太網(wǎng)3差分輸入 | 41 | 42 | ETH3_LED_ACT_B，數(shù)據(jù)指示 |
| ETH3_TXP，以太網(wǎng)3差分輸出 | 39 | 40 | 電源地（GND） |
| ETH3_TXN，以太網(wǎng)3差分輸出 | 37 | 38 | USB_DP，USB差分信號 |
| 電源地（GND） | 35 | 36 | USB_DN，USB差分信號 |
| ETH2_RXP，以太網(wǎng)2差分輸入 | 33 | 34 | 電源地（GND） |
| ETH2_RXN，以太網(wǎng)2差分輸入 | 31 | 32 | I2C_SDA，I2C配置管腳 |
| 電源地（GND） | 29 | 30 | I2C_SCL，I2C配置管腳 |
| 電源地（GND） | 27 | 28 | - |
| ETH2_TXP，以太網(wǎng)2差分輸出 | 25 | 26 | 電源地（GND） |
| ETH2_TXN，以太網(wǎng)2差分輸出 | 23 | 24 | - |
| 電源地（GND） | 21 | 22 | RESET_B#，外部復(fù)位信號 |
| ETH2_LED_ACT_B，數(shù)據(jù)指示 | 19 | 20 | - |
| ETH2_LED_LINK_B，連接指示 | 17 | 18 | 電源地（GND） |
| Mechanical Key | |||
| 電源地（GND） | 15 | 16 | +5V 電源輸入 |
| ETH1_RXP，以太網(wǎng)1差分輸入 | 13 | 14 | +5V 電源輸入 |
| ETH1_RXN，以太網(wǎng)1差分輸入 | 11 | 12 | +5V 電源輸入 |
| 電源地（GND） | 9 | 10 | - |
| ETH1_LED_ACT_B，數(shù)據(jù)指示 | 7 | 8 | ETH3_LED_LINK_B，連接指示 |
| ETH1_TXP，以太網(wǎng)1差分輸出 | 5 | 6 | - |
| ETH1_TXN，以太網(wǎng)1差分輸出 | 3 | 4 | 電源地（GND） |
| ETH1_LED_LINK_B，連接指示 | 1 | 2 | +3.3V 電源輸入 |
其中I2C總線是用來給擴展網(wǎng)口配置MAC地址的，英創(chuàng)公司在ETA8152模塊出廠的時候，會為每一路網(wǎng)口燒寫一個唯一的MAC地址。所以硬件上需要將主板的I2C總線信號接入，在加載驅(qū)動的時候系統(tǒng)會調(diào)用這一路I2C總線，加載完成后就會釋放I2C總線資源，不會影響用戶程序調(diào)用I2C總線。
用戶在底板上就只需要連接網(wǎng)絡(luò)變壓器和RJ45接頭，我們隨便以一路為例，給出原理圖（圖中的RJ45是帶有網(wǎng)絡(luò)變壓器的）：
接口電路圖
用戶使用ESMARC_ISA_EVB可以方便的評估整個方案，連接如下圖所示：
評估板連接示意圖
軟件開發(fā)
ETA524和ETA8152模塊的驅(qū)動英創(chuàng)公司已經(jīng)調(diào)試好并且以內(nèi)核模塊的形式集成在板卡中了，用戶只需要調(diào)用命令加載驅(qū)動就可以生成標準的設(shè)備節(jié)點來操作，這兩個模塊的驅(qū)動分別為eta524.ko和r8152.ko。驅(qū)動加載后，系統(tǒng)就能夠識別到擴展模塊，并生成相應(yīng)的設(shè)備節(jié)點，通過設(shè)備節(jié)點，用戶就能夠使用標準的API函數(shù)來操作擴展了。在主板的命令行輸入modprobe命令就可以加載：
加載ETA528的驅(qū)動
從圖上可以看到加載驅(qū)動后，生成了24個串口設(shè)備（ttyS7-ttyS30）。接下來加載ETA8152模塊的驅(qū)動，方法相同：
加載ETA8152的驅(qū)動
可以看到驅(qū)動加載后，系統(tǒng)生成了eth2-eth5四個新的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。
不論是串口還是網(wǎng)絡(luò)，加載驅(qū)動生成的設(shè)備節(jié)點都是Linux標準的設(shè)備節(jié)點，所以用戶在使用的時候操作方法也和標準的設(shè)備相同，只需要更改程序中對應(yīng)的設(shè)別節(jié)點即可。用戶可利用英創(chuàng)公司提供的串口和網(wǎng)絡(luò)通訊應(yīng)用程序源代碼，快速評估此方案基本性能是否滿足其具體的應(yīng)用需求，幫助用戶縮短評估和開發(fā)的周期。
性能測試
英創(chuàng)公司針對這套擴展方案進行性能上的測試，使用ESM7000核心板搭建了測試環(huán)境。首先使用iperf3工具測試擴展網(wǎng)口的速度，在PC端搭建好服務(wù)器后，在板卡中運行iperf3工具連接，服務(wù)器測試結(jié)果截圖如下：
網(wǎng)絡(luò)帶寬測試
圖片中端口號5201為核心板自帶網(wǎng)口eth0，端口號5202為核心板自帶網(wǎng)口eth1，端口號5203-5206分別對應(yīng)擴展網(wǎng)口1-4。因為測試網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為千兆網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，所以主板千兆網(wǎng)口eth0的速度會受到其他網(wǎng)口的影響。從測試結(jié)果可以看到，在同時使用的情況下，擴展網(wǎng)口的速度是可以達到40Mbit/s以上的。
下面對擴展串口進行測試，測試程序會打開每一路擴展串口，波特率設(shè)置為115200bps，每3ms發(fā)送9個字節(jié)的數(shù)據(jù)，即每秒發(fā)送3000個字節(jié)的數(shù)據(jù)，根據(jù)115200波特率的滿負荷計算，程序占用了每一路串口26%左右的負載。為了更加貼近實際使用情況，同時將所有擴展網(wǎng)口打開進行通訊，使網(wǎng)絡(luò)的負載大約也占用20%左右。
在這樣的條件下，對串口收發(fā)數(shù)據(jù)進行長時間的測試，當收到數(shù)據(jù)有錯誤，程序會打印出來，經(jīng)過3個小時的測試，所有擴展串口收發(fā)均正常，CPU整體負載如下：
系統(tǒng)總負載
可以看到系統(tǒng)總負載大約為56%，測試程序test_multiserial占用CPU為27.2%，截圖中top命令打印出的其余項為每一路串口通訊所占用的CPU資源，一共為24項，每一路占用的資源在2.3%-3.9%，是十分低的。需要注意的是ESM7000為雙核，所以top指令打印出來的CPU占用率需要除以2才是整個CPU的占用率。
在實際應(yīng)用中負載通常會更小一些，將負載提升上來是為了測試整套方案的性能，在此時的負載情況下，擴展串口與網(wǎng)口通訊均保持正常和穩(wěn)定。