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。對比未使用串口服務(wù)器設(shè)計的一般復(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，同時降低了系統(tǒng)維護(hù)的難度及工作量，簡化了系統(tǒng)安裝、調(diào)試過程。

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)備往往需要與多個子系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)字通信，對總線系統(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)于一臺配置了CPU、實(shí)時操作系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議的微型電腦，可實(shí)現(xiàn)多臺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，從而極大地擴(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，便于集中多個串口設(shè)備。通過一條網(wǎng)線與外界通信，可簡化現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)，降低現(xiàn)場布線難度。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)示意見圖1。

商業(yè)級的串口服務(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)器需成對使用，一個作為服務(wù)器，另一個作為客戶端。兩者通過IP地址及端口號建立連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向透明傳輸。該模式適用于將兩個串口設(shè)備之間的串行總線連接改造為TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)連接。

(2)虛擬串口模式。該工作模式下，通過運(yùn)行在工作站電腦上的驅(qū)動軟件，將工作站上與串口服務(wù)器通信的網(wǎng)絡(luò)端口映射成一個或多個串行接口(與連接到串口服務(wù)器上的串口設(shè)備一一對應(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與各串口設(shè)備通信。該模式對于工作站端軟件編寫來說是透明的，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)通過復(fù)用單條RS232通信電纜，將多個串口設(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)簡單，成本低；②缺點(diǎn)是通信速率低，實(shí)時性能差，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，不能隨意更換某個設(shè)備的型號，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)于一個網(wǎng)關(guān)，可以使主機(jī)與各子設(shè)備間進(jìn)行無差別的互連與通信。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)備間的互相干擾問題，同時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，對主機(jī)結(jié)構(gòu)透明，編程簡單，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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[4]梁濤，楊彬，岳大為.Profibus現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013.

(收稿日期2015-12-03)

*國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(編號：2012YQ240121)。

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