冷链物流车载终端的串口扩展方法研究

冷链物流车载终端的串口扩展方法研究关键词：冷链物流北斗定位串口扩展文/黄伟冷链物流是我国物流行业的重点和难点，食品企业的物流及供应链管理能力逐渐成为企业的核心竞争力，代表了交通运输现代化的发展趋势。

而随着我国北斗卫星导航的全面推广，基于北斗卫星导航的食品冷链物流信息监控系统有着巨大的应用前景。

冷链物流监控终端以嵌入式硬件平台为基础，通过北斗和GPS双模技术、无线通信和无线传感技术的有机结合，实时获取车辆的位置信息、车厢温湿度状态数据，并将信息发送到远程运营中心，实现了货物在流通过程中的质量与安全监控问题，可以提高车队的利用率和整体效率。

本项目终端采用先进的CortexA8内核、主频1GHz的处理器S5PV210，配合嵌入式实时操作系统WINCE6.0，性能和稳定性好。

同时采用北斗/GPS双模定位技术、GPRS/3G/4G无线通信技术、温湿度传感器及门禁传感器、ZigBee短距离通信等技术应用于车载物流信息终端，实现冷链物流运输的无缝实时监控。

车载终端结构如图1所示。

图1从图1可以看出，该车载终端串口外设较多，比如，北斗/GPS模块、IC读卡器、ZigBee通信模块、指纹仪等外设都通过串口与核心处理器通信，但是一般的核心处理器没有这么多串口资源，该项目的S5PV210处理器只有4个UART串口，难以满足冷链物流的车载终端的使用要求，所以本文提出了在WinCE系统下的该车载终端的串口扩展方法。

1、WinCE UART驱动模型WinCE中的串口驱动遵循ISO/OSI网络通讯模型，通信串口属于WinCE网络模块的一个部分，其串口驱动的构架如图2所示。

驱动采用分层结构设计，上面一层称为模型设备驱动(Model Device Driver，简称MDD)，MDD层向设备管理器提供标准的流设备驱动接口，是独立于硬件平台的框架性的实现；下面一层称为平台相关驱动(Platform Dependence Driver，简称PDD)，PDD层包含特定的硬件平台专用代码，是与硬件平台相关的具体实现。

两层驱动通过设备驱动服务接口(DDSI)进行交互，串口驱动是作为流接口驱动来实现的。

图2下面主要描述串口驱动的具体实现，WinCE中串口驱动由设备管理器Device.exe加载，MDD层是以完整的流接口函数给出的，下面介绍串口驱动中基本流接口函数。

COM_Init是串口驱动的初始化函数，在设备管理器加载该驱动后被首先调用，用于初始化所需的变量，硬件设备等资源。

分配代表设备硬件实例的数据结构，并通过硬件抽象接口初始化硬件，接着为接收串口数据创建相应事件并初始化临界区，最后创建数据接受缓冲区。

COM_Deinit函数在驱动卸载时被执行，实现与COM_Init相反的操作。

这个过程会释放驱动中所使用的内存和临界区等系统资源，停止接收数据线程的执行等操作。

COM_Oepn函数在串口被打开时调用，首先为打开设备的结构体分配空间并初始化，检查设备句柄是否有效，加载数据中断服务线程，最后调用PDD层函数对硬件进行初始化。

COM_Close函数是释放COM_Open所分配的系统资源，停止在COM_Open中创建的相关线程和一些避免线程竞争的处理，恢复驱动状态。

COM_Read函数是从串口获取所接收到的数据，该函数有三个参数，第一个参数是COM_Oepn打开的设备句柄，后两个参数与文件系统的使用方法完全一样，一个是接受缓冲指针，另一个是长度。

首先进行参数检查，包括对存取权限，计算超时时间。

如果设定了超时读取动作会在超时后返回，然后就是对数据缓冲区进行读取的操作。

COM_Write是与COM_Read相对应的写串口操作。

首先检查参数的合法性，然后进入临界区(保障多线程下的独占)设置写数据的目标地址和长度，等待数据发送完成事件后开始新的数据发送。

最后，需要处理数据异常情况，如果使用了硬件流控制还要在这里清除发送请求信号，然后通知发送数据操作结束。

COM_PowerUp和COM_PowerDown操作，这两个函数的调用都由WinCE的电源管理事件来触发，驱动的MDD层并没有对这两个函数进行处理，具体设备上电及下电操作，以及驱动的状态恢复等操作都由PDD层来完成。

COM_IOControl函数用于向设备发送控制命令。

包括驱动的电源管理，串口通讯的参数设置，读写串口的同步事件等，具体操作都由PDD层完成功能。

2、软件虚拟UART串口的实现北斗定位技术应用于冷链物流运输行业，可以获取物流运输车辆的位置以及速度信息，将这些信息上传至远程的运营中心，可以实现车辆和货物的追踪以及监控管理。

另外，由于车载终端配合第三方的导航软件，可以实现道路导航，物流车辆可以按照固定线路运行，或者根据导航软件规划的最优路径运行，可以提高物流运输的效率。

但是，串口是独占设备，同一时间只能由一个应用功能使用，为了满足本项目的使用需要，让物流车辆监控和道路导航能同时进行，本文提出了一种软件虚拟串口的实现方法，软件框架如图3所示。

图3虚拟串口采用标准的流接口驱动模型，MDD层是两个虚拟串口驱动的标准实现，为两个虚拟串口初始化并分别分配数据接收缓冲区；PDD层采用与北斗模块通信的物理串口，将获取的北斗数据分别放在虚拟串口的数据缓冲区中，两个虚拟串口可以分别获取北斗数据给上层应用程序使用。

虚拟串口的实现中主要的数据结构体定义如下：typedef struct tVirtual_Port{DWORD com_number;BOOL com_open_flag;MyCircleBuffer *buffer;CRITICAL_SECTION g_csOpen;CRITICAL_SECTION g_csWrite;CRITICAL_SECTION g_csRead;} Virtual_Port, *PVirtal_Port;该结构体定义中，com_number表示和北斗模块通信的物理串口号；com_open_flag表示该物理串口是否已经打开，由于两个虚拟串口初始化时都会打开物理串口的操作，所以该变量防止物理串口被多次打开；MyCircleBuffer是接受数据的循环缓冲区，每个虚拟串口分配一个2K字节的缓冲区，将北斗模块的数据存在缓冲区中，由应用程序来获取使用；g_csOpen、g_csWrite和g_csRead 是临界区变量，起到保护物理串口的打开以及读写操作，两个虚拟串口操作同一个物理串口，需要互斥操作，否则会发生数据冲突，导致数据通信异常。

虚拟串口的COM_Init函数会初始化上述的结构体变量，申请内存资源，创建接收数据的通知事件；COM_Oepn函数中会打开和北斗模块连接的物理串口，同时创建物理串口的数据接收线程，将接收到的北斗数据存放于循环缓冲区中；COM_IOControl函数实现串口的电源管理，同时实现接收虚拟串口数据的事件，通知应用层北斗数据可以获取；COM_Read函数实现应用层读数据的操作，从循环缓冲区中将北斗数据读到应用层处理；COM_Write函数实现从应用层的数据通过物理串口写到北斗通信模块中，可以对模块进行信息设置。

3、物理UART串口的扩展3.1 VK3224芯片介绍本项目采用VK3224芯片来实现物理UART串口的扩展，该芯片是SPI接口的4通道UART器件，实现SPI桥接/扩展4个串口的功能。

该芯片广泛适用于多串口服务器，多串口卡，工业自动化RS-485控制，车载信息平台，远传自动抄表系统等领域。

扩展的子通道的UART具备如下功能特点：每个子通道UART的波特率、字长、校验格式可以独立设置，最高可以提供1Mbps的通信速率。

每个子通道可以独立设置工作在IrDA红外通信、RS-485及其9位网络地址自动识别、软件/硬件自动流量控制、广播接收等高级工作模式下。

每个子通道具备收/发独立的16 BYTE数据缓冲区，FIFO的中断为4级可编程条件触发点。

VK3224采用SOP20绿色环保的无铅封装，可以工作在2.5～5.5V的宽工作电压范围，具备可配置自动休眠/唤醒功能。

3.2 VK3224的软件实现在本项目中，VK3224工作在SPI同步串行通信的从机模式下，为实现与主处理器S5PV210的通信，在主处理器端需要设置CPOL=0(SPI时钟极性选择位),CPHA=0( SPI时钟相位选择位)，VK3224和S5PV210之间通过数据输入/输出信号(SDIN,SDOUT)，时钟信号(SCLK)，片选信号(SCS)以及中断信号(IRQ)连接，如图4所示。

图4S5PV210工作在SPI主模式，发送数据时，首先，通过片选信号选中VK3224，然后S5PV210产生时钟将数据发送到VK3224端，VK3224根据制定的UART串口号，将数据发送至外设；S5PV210接收数据时，VK3224从外设的UART串口接收到数据后，首先产生中断信号通知主机，然后S5PV210产生时钟通过数据输入信号将数据读取。

VK3224有两级中断：子串口，全局中断。

当IRQ引脚指示有中断时，可以通过读取全局中断寄存器以判断当前中断的类型，然后去读取相应的中断状态寄存器，以确定当前的中断源。

VK3224的每个子串口都有独立的中断系统，包括：FIFO数据错误中断，接收地址中断（RS485模式），XOFF发送中断，发送FIFO触发点中断，接收FIFO 触发点中断。

当任意一个中断使能后，满足中断条件就会产生相应的中断。

3.3 SPI扩展UART的实现本项目的主处理器三星S5PV210有4个UART串口，本文通过SPI接口连接VK3224芯片额外再扩展4路UART串口。

图5所示为S5PV210处理器自带串口的驱动模型，串口驱动采用标准的串口类，Wince驱动层提供流接口函数COM_XXX，链路层通过UART控制器提供UART串口，驱动的实现如本文第一章内容所介绍。

图5在上图所示的串口驱动构架上，我们提出了UART串口扩展的方案，新的驱动构架如图6所示。

新的驱动构架上，WINCE驱动层依然采用标准的串口类，提供标准流接口函数。

链路层分成两部分，第一部分采用UART控制器提供多个UART串口，和图5所示驱动模型一样；第二部分采用SPI扩展的方式，通过SPI 控制器和UART扩展芯片VK3224连接，数据通过SPI传输给VK3224，然后VK3224根据数据传输的协议，将数据分发给不同的外扩串口。

本文主要介绍通过SPI外扩串口的驱动实现，4个外扩串口共享一套驱动，提供标准的流接口函数。

在COM_Init函数中，首先通过注册表获取当前的串口号并记录在结构体变量中，初始化该串口的读、写操作同步信号量，接着创建当前串口的接收循环缓冲区，然后初始化SPI控制器，配置SPI的主从传输模式，以及SPI传输时钟及数据格式，最后初始化外部接收中断，创建SPI接收数据线程，有数据接收时，VK3224会中断CPU启动接收。