探讨低延时远程串口通信系统设计

陆晓慧

【关键词】远程控制；智能制造；串口通信；并发控制

为了更好的解决串口通信工业设备升级成本高、延时性能差、拓展性比较差的现象，这里从软件方面对延时远程串口通信系统进行了分析，并且以嵌入式控制系统为核心，通过多携程特性处理技术对串口数据进行采集、封装、隔离以及转换控制，简化了传统程序控制中数据双向传输的相互干扰现象。在设计中，采用了以太网数据控制系统，有UDO协议结合KCP算法进行低延时通信链路连接，保证了信号传输的准确性和稳定性。这种设计方法的应用使得整个系统的稳定性突出，且在传输延时方面存在重大的优势，为低延时远程串口通信技术的应用提供了解决方案。

一、设计背景

随着云计算、大数据、人工智能、数字技术和智能技术在民用领域的快速发展和广泛应用，工业生产系统的升级和转型已成为当今社会发展的主旋律，是保证生产企业竞争力的基础，也是提高企业效益的关键内容。为了更好的实现工业生产有粗放型转变为集约型、智能型、综合型模式，我国有关部门提出了“智能制造2025”、互联网+等发展战略，促使了工业制造和控制方式发生了巨大的改变，由原来简单的人工参与机床控制作业转变为智能化、自动化生产作业，不仅降低了人工生产成本、减少了生产开支，而且提高了生产效率、保证了产品质量。但是就目前工业生产的智能化、自动化进行分析，早期引入生产的通信控制系统存在的局限性比较突出，特别是外部网络对上生产设备控制中因信号延时出现控制异常，不仅影响了生产质量，还威胁设备运行安全，为此对其进行升级改造势在必行。

远程串口通信技术作为工业生产中常见控制系统之一，是原自带串口通信的工业设备之一，通过串口网管与其他设备的通信系统连接，形成集成控制和管理的模式。这种技术的应用降低了因购买新设备而产生的高价成本，让各种工业设备能够通过这种技术连接在一起，为各个设备的通信提供了基础保障。目前，国内许多的转接都提出了多种远程串口连接方案，并且以此解决设备接入以太网岩石的问题。但是目前研究的远程串口通信技术在应用的时候都是以一次性访问为主，也都是从单一的角度和特殊生产环境提出了设计方案，并没有对远程串口连接提出符合低成本、低延时、高拓展、可延伸、高安全、高稳定的串口对接系统，造成系统应用的时候存在延时通信的现象。因此，本次设计采用了低延时远程串口通信系统，这种通信技术在应用中能够有效的解决网络延时问题，且符合低成本、高效率、高安全性要求。

二、低延时远程串口通信系统的设计要点

1低延时远程串口通信系统总体设计

本文设计的低延时远程串口通信系统的总体设计如图1所示。

图1低延时远程串口通信系统总体示意图

2嵌入式控制系统软件设计

嵌入式控制系统软件部分主要分为并发异步串口连接服务、低延时传输服务、端口映射服务以及服务状态控制器。并发异步串口连接服务用于对系统内各个串口进行并发控制及异步数据交互。本服务是通过Golang编写，基于并发模型CSP进行共享内存，并以MPG的模式来搭建各个服务。其中“M”直接关联一个内核线程，用于串口、内存等直接操作;“P”用于代码多级处理的并行调用；“G”是实现一个轻量级串口操作线程，以不同的协程调用来简化系统的复杂度，从而加大系统的容量。

3云服务端控制软件设计

3.1端口映射服务设计

云服务端控制软件通过设计端口映射服务,重定向外部主机的请求至嵌入式控制系统。由于外部请求可能来自多个不同主机，端口映射服务容易出现端口不足、端口限制等情况。本服务通过将各主机请求进行二次封装,对目标进行缓存标记来进行区分，由此实现端口复用,增强主机端口的服务能力。

3.2低延时链路辅助服务设计

低延时链路辅助服务的作用是辅助嵌入式控制系统与客户端通信软件建立P2P连接，若连接不成立，在内部线程开启转发协程，用于数据转发。对于无外网地址主机无法寻找目的主机地址，因此需要云服务端控制软件辅助两者的P2P会话建立。P2P会话连接需要嵌入式控制系统、云服务端控制软件和客户端通信软件三者网络结构的支持。首先通过嵌入式控制系统向云服务端控制软件注册网络NAT类型。其次，客户端通信软件与嵌入式控制系统连接时也需要进行网络NAT类型上传。云服务端控制软件根据两者的NAT辅助低延时链路建立。

3.3链路管理服务设计

链路管理服务设计为对各个连接链路状态进行监控和管理。链路传输不可避免会出现死链、传输异常等问题。因为嵌入式控制系统是唯一主控节点，所以本服务将以此作为管理的唯一标志。用户通过身份信息管理所属的嵌入式控制系统，再关联相关链路状态，来管理链路并获取链路信息包括地址来源、启动情况、流量情况、访问记录等。

3.4云服务端控制软件监控协调服务设计

云服务端控制软件由多个云服务器组成，以分布式结构将服务部署在各个服务器上，通过阿里的ＶＰＣ连接改善服务器之间的连接，并以各个服务器当前的负载情况以及连接设备的相对地理位置来筛选最为合适的服务器部署Ｐ2Ｐ连接服务、数据转发服务和数据存储服务。

4、客户端通信软件设计

客户端通信软件为远程连接的操作人员所使用的软件，包括身份校验服务、低延时传输服务以及虚拟串口驱动。身份校验服务用于对客户端通信软件使用者的合法性进行检测。用户输入账号密码，客户端通信软件会对其进行MD5加密。用户密码将发送至云服务端控制软件进行验证,若正确，云服务端控制软件会下发一个对应嵌入式控制系统通信的salt若失败，返回错误类型,并将累计错谋次数加1,若累计错误次数超过10则当天禁止此账号登录并通知该嵌入式控制系统绑定的用户，成功登录后累计错误次数归0。

三、结束语

总之，本次设计的低延时远程串口通信系统采用嵌入式控制系统对多个物理串口进行独立控制，有效解决了其他系统中出现资源复杂、信号延时的现象。另外，由于设计中加入了KCP协议，是的传输链路中的延时性大大降低，为串口工业设备的升级转型提供了理论基础。

参考文献

[1]禹鑫燚, 王煦焱, 应皓哲,等. 低延时远程串口通信系统设计[J]. 计算机科学, 2021, 48(S01):6.

[2]周政尹. 一种基于多路串口通信的电阻快速测量系统设计[J]. 电子技术与软件工程, 2020(1):2.

[3]龚再兰. 基于PC与单片机串口通信控制的点阵系统设计[J]. 电子世界, 2020(3):2.

陆晓慧 身份证号：450802199008170284