利用串口服務(wù)器構(gòu)建設(shè)備本地總線系統(tǒng)

楊振龍　張　偉　李海柱　林洪征

(丹東東方測(cè)控技術(shù)股份有限公司)

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利用串口服務(wù)器構(gòu)建設(shè)備本地總線系統(tǒng)

楊振龍張偉李海柱林洪征

(丹東東方測(cè)控技術(shù)股份有限公司)

摘要復(fù)雜儀器設(shè)備傳統(tǒng)的本地通信總線帶寬窄、故障率高，影響其與子系統(tǒng)設(shè)備間的數(shù)字通信。介紹了串口服務(wù)器及其應(yīng)用的典型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析了串口服務(wù)器的三種工作方式。對(duì)比未使用串口服務(wù)器設(shè)計(jì)的一般復(fù)雜設(shè)備的總線結(jié)構(gòu)和利用串口服務(wù)器構(gòu)建的設(shè)備總線結(jié)構(gòu)可知，串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器構(gòu)建設(shè)備本地總線系統(tǒng)極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)復(fù)雜程度，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性、健壯性得到了提高，同時(shí)降低了系統(tǒng)維護(hù)的難度及工作量，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)安裝、調(diào)試過(guò)程。

關(guān)鍵詞串口服務(wù)器總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信

復(fù)雜儀器設(shè)備往往需要與多個(gè)子系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)字通信，對(duì)總線系統(tǒng)要求較高，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。在串口服務(wù)器出現(xiàn)以前，總線系統(tǒng)往往需要設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的本地通信總線，存在著帶寬窄、故障率高的缺點(diǎn)。利用串口服務(wù)器構(gòu)建設(shè)備本地總線可極大地降低總線系統(tǒng)的復(fù)雜程度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、靈活性、通用性，對(duì)于保證儀器設(shè)備間正常的通信具有積極作用。

1串口服務(wù)器與工作方式

1.1串口服務(wù)器

串口服務(wù)器，即串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，相當(dāng)于一臺(tái)配置了CPU、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議的微型電腦，可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)RS-232/485/422串口設(shè)備與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備間的雙向透明數(shù)據(jù)傳輸，能夠?qū)S-232/485/422串行接口轉(zhuǎn)換成TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口，從而極大地?cái)U(kuò)展了串口設(shè)備的通信距離[1-4]。另外，串口服務(wù)器還能夠?qū)⒍嗦反谳斎爰铣蓡温肪W(wǎng)口輸出，便于集中多個(gè)串口設(shè)備。通過(guò)一條網(wǎng)線與外界通信，可簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)，降低現(xiàn)場(chǎng)布線難度。串口服務(wù)器還可起到擴(kuò)展PC機(jī)串行接口數(shù)量的作用。

串口服務(wù)器應(yīng)用的典型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

商業(yè)級(jí)的串口服務(wù)器產(chǎn)品，一般內(nèi)部都集成有ARP、IP、TCP、HTTP、ICMP、SOCK5、UDP、DNS、HCP等網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議以及RS-232/422/485三合一串行接口，支持動(dòng)態(tài)IP(DHCP)和靜態(tài)IP，支持網(wǎng)關(guān)和代理服務(wù)器，可以通過(guò)Internet傳輸數(shù)據(jù)。

圖1　串口服務(wù)器的典型應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意

1.2工作方式

串口服務(wù)器一般提供三種工作方式。

(1)TCP/UDP模式。該工作模式下，串口服務(wù)器需成對(duì)使用，一個(gè)作為服務(wù)器，另一個(gè)作為客戶端。兩者通過(guò)IP地址及端口號(hào)建立連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向透明傳輸。該模式適用于將兩個(gè)串口設(shè)備之間的串行總線連接改造為T(mén)CP/IP 網(wǎng)絡(luò)連接。

(2)虛擬串口模式。該工作模式下，通過(guò)運(yùn)行在工作站電腦上的驅(qū)動(dòng)軟件，將工作站上與串口服務(wù)器通信的網(wǎng)絡(luò)端口映射成一個(gè)或多個(gè)串行接口(與連接到串口服務(wù)器上的串口設(shè)備一一對(duì)應(yīng))，即虛擬串口，從而使工作站可以用操作普通串口的方式來(lái)與各串口設(shè)備通信。該模式對(duì)于工作站端軟件編寫(xiě)來(lái)說(shuō)是透明的，工作站上已有的串口通信軟件可以不做任何改動(dòng)即可與連接到串口服務(wù)器上的串口設(shè)備進(jìn)行通信。

(3)SOCKET模式。該工作模式下，工作站端軟件使用SOCKET協(xié)議編寫(xiě)通信程序與串口服務(wù)器通信，其硬件連接方式與虛擬串口模式相同。

2未使用串口服務(wù)器的設(shè)備總線結(jié)構(gòu)

未采用串口服務(wù)器之前，一般復(fù)雜設(shè)備的總線結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖2。

圖2　一般復(fù)雜設(shè)備的總線結(jié)構(gòu)示意

該總線結(jié)構(gòu)通過(guò)復(fù)用單條RS232通信電纜，將多個(gè)串口設(shè)備連接到主機(jī)(終端)上。一些現(xiàn)有的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)即采用這種結(jié)構(gòu)，例如Modbus總線、Profibus總線等。主要優(yōu)缺點(diǎn)：①優(yōu)點(diǎn)是總線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低；②缺點(diǎn)是通信速率低，實(shí)時(shí)性能差，可靠性差，各設(shè)備間彼此關(guān)聯(lián)，缺乏獨(dú)立性，高速設(shè)備要遷就低速設(shè)備，不能隨意更換某個(gè)設(shè)備的型號(hào)，且主機(jī)通信協(xié)議復(fù)雜，模塊化程度很低，可維護(hù)性差。

3利用串口服務(wù)器構(gòu)建設(shè)備總線結(jié)構(gòu)

為解決總線系統(tǒng)的各種缺點(diǎn)，需要在主機(jī)與各子設(shè)備間增加一個(gè)調(diào)度設(shè)備，即網(wǎng)關(guān)，由它負(fù)責(zé)統(tǒng)一管理主機(jī)與各子設(shè)備間的通信。

串口服務(wù)器本質(zhì)上就相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng)關(guān)，可以使主機(jī)與各子設(shè)備間進(jìn)行無(wú)差別的互連與通信。此外，它與普通網(wǎng)關(guān)的差別是：它可以表現(xiàn)得像一個(gè)串口擴(kuò)展設(shè)備那樣，擴(kuò)展主機(jī)的串口數(shù)量，從而可以使主機(jī)與各子設(shè)備間像使用本地串口那樣進(jìn)行通信。這正是上述系統(tǒng)期望的通信方式，它避免了原總線系統(tǒng)中各子設(shè)備間的互相干擾問(wèn)題，同時(shí)還可以使用串口通信協(xié)議進(jìn)行通信，而主機(jī)和各子設(shè)備則不需做任何軟硬件更改即可正常工作。利用串口服務(wù)器構(gòu)建的設(shè)備總線結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖3。

圖3　利用串口服務(wù)器構(gòu)建設(shè)備總線結(jié)構(gòu)

新總線結(jié)構(gòu)的串口服務(wù)器采用虛擬串口模式工作，主要優(yōu)缺點(diǎn)：①優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，抗干擾能力強(qiáng)，各設(shè)備間彼此獨(dú)立，互不干擾，對(duì)主機(jī)結(jié)構(gòu)透明，編程簡(jiǎn)單，容易進(jìn)行模塊化封裝，干線帶寬較大，通信速率高，實(shí)時(shí)性好，維護(hù)容易；②缺點(diǎn)是成本較高。

4結(jié)論

采用串口服務(wù)器構(gòu)建復(fù)雜儀器設(shè)備的本地總線結(jié)構(gòu)，可極大地簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增加系統(tǒng)硬件選擇的靈活性、通用性，降低了系統(tǒng)維護(hù)成本，縮短了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期。雖然選擇串口服務(wù)器后，系統(tǒng)硬件成本有所增加，但具有可觀的綜合效益，可進(jìn)行推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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(收稿日期2015-12-03)

*國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)(編號(hào)：2012YQ240121)。

楊振龍(1976—)，男，工程師，118000 遼寧省丹東市濱江中路136號(hào)。