干貨-串口服務(wù)器定義、原理、國家標準
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串口服務(wù)器是為RS-232/485/422到TCP/IP 之間完成數據轉換的通訊接口轉換器。提供RS-232/485/422終端串口與TCP/IP網(wǎng)絡(luò )的數據雙向透明傳輸，提供串口轉網(wǎng)絡(luò )功能，RS-232/485/422轉網(wǎng)絡(luò )的解決方案?？梢宰尨谠O備立即聯(lián)接網(wǎng)絡(luò )。
隨著(zhù)Internet的廣泛普及，“讓全部設備連接網(wǎng)絡(luò )”已經(jīng)成為全世界企業(yè)的共識。為了能跟上網(wǎng)絡(luò )自動(dòng)化的潮流，不至于失去競爭優(yōu)勢，必須建立高品位的數據采集、生產(chǎn)監控、即時(shí)成本管理的聯(lián)網(wǎng)系統。利用基于TCP/IP的串口數據流傳輸的實(shí)現來(lái)控制管理的設備硬件，無(wú)需投資大量的人力、物力來(lái)進(jìn)行管理、更換或者升級。
串口服務(wù)器就使得基于TCP/IP的串口數據流傳輸成為了可能，它能將多個(gè)串口設備連接并能將串口數據流進(jìn)行選擇和處理，把現有的RS 232接口的數據轉化成IP端口的數據，然后進(jìn)行IP化的管理，IP化的數據存取，這樣就能將傳統的串行數據送上流行的IP通道，而無(wú)需過(guò)早淘汰原有的設備，從而提高了現有設備的利用率，節約了投資，還可在既有的網(wǎng)絡(luò )基礎上簡(jiǎn)化布線(xiàn)復雜度。
串口服務(wù)器完成的是一個(gè)面向連接的RS 232鏈路和面向無(wú)連接以太網(wǎng)之間的通信數據的存儲控制，系統對各種數據進(jìn)行處理，處理來(lái)自串口設備的串口數據流，并進(jìn)行格式轉換，使之成為可以在以太網(wǎng)中傳播的數據幀；對來(lái)自以太網(wǎng)的數據幀進(jìn)行判斷，并轉換成串行數據送達響應的串口設備。
二、串口服務(wù)器的特點(diǎn)：
內部集成 ARP，IP，TCP ,HTTP，ICMP，SOCK5，UDP，DNS等協(xié)議。RS-485/422轉換提供數據自動(dòng)控制。RS-232/422/485三合一串行接口 , 300-230.4KBPS波特率。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傳輸數據。提供數據雙向透明傳輸，用戶(hù)不需要對原有系統做任何修改。所有串口內置600W防雷 。10/100M以太網(wǎng)、自動(dòng)偵測直連或交叉線(xiàn)?？梢酝瑫r(shí)支持多個(gè)連接。
三、串口服務(wù)器工作方式及通訊模式：
工作方式：
1.服務(wù)器方式：在該工作方式下，串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器作為T(mén)CP服務(wù)器端， 轉換器在指定的TCP端口上監聽(tīng)平臺程序的連接請求，該方式比較適合于一個(gè)轉換器與多個(gè)平臺程序建立連接（一個(gè)轉換器不能同時(shí)與多個(gè)平臺程序建立連接）。
2.客戶(hù)端方式：在該工作方式下，串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器 作為 TCP 客戶(hù)端，轉換器上電時(shí)主動(dòng)向平臺程序請求連接，該方式比較適合于多個(gè)轉換器同時(shí)向一個(gè)平臺程序建立連接。
通訊模式：
1.點(diǎn)對點(diǎn)通訊模式：該模式下，轉換器成對的使用，一個(gè)作為服務(wù)器端，一個(gè)作為客戶(hù)端，兩者之間建立連接，實(shí)現數據的雙向透明傳輸。該模式適用于將兩個(gè)串口設備之間的總線(xiàn)連接改造為 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò )連接。
2.使用虛擬串口通訊模式：該模式下，一個(gè)或者多個(gè)轉換器與一臺電腦建立連接，實(shí)現數據的雙向透明傳輸。由電腦上的虛擬串口軟件管理下面的轉換器，可以實(shí)現一個(gè)虛擬串口對應多個(gè)轉換器， N 個(gè)虛擬串口對應 M 個(gè)轉換器（ N
3.基于網(wǎng)絡(luò )通訊模式： 該模式下，電腦上的應用程序基于SOCKET 協(xié)議編寫(xiě)了通訊程序，在轉換器設置上直接選擇支持 SOCKET 協(xié)議即可。
四、串口服務(wù)器應用領(lǐng)域：
它主要應用在門(mén)禁系統、考勤系統、售飯系統、 POS 系統、樓宇自控系統、自助銀行系統電信機房監控，電力監控等。
五、硬件系統及其模塊：
1.硬件系統
硬件系統是實(shí)現整個(gè)系統功能的基礎，是整個(gè)設計實(shí)現的關(guān)鍵。
整個(gè)串口服務(wù)器的關(guān)鍵在于串口數據包與TCP/IP數據報之間的轉換以及雙方數據因為速率不同而存在的速率匹配問(wèn)題，在對串口服務(wù)器的實(shí)現過(guò)程中，也必須著(zhù)重考慮所做的設計和所選擇的器件是否能夠完成這些功能。
（1）硬件系統組成模塊
在制定設計方案和選定器件時(shí)遇到的技術(shù)難點(diǎn)是如何利用處理器對串口數據信息進(jìn)行TCP/IP協(xié)議處理，使之變成可以在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸的IP數據包。目前解決這個(gè)問(wèn)題很多時(shí)候采用32位MCU + RTOS方案，這種方案是采用32位高檔單片機，在RTOS（實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統）的平臺上進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，在嵌入式系統中實(shí)現TCP/IP的協(xié)議處理。它的缺點(diǎn)是：?jiǎn)纹瑱C價(jià)格較高，開(kāi)發(fā)周期較長(cháng)；需要購買(mǎi)昂貴的RTOS開(kāi)發(fā)軟件，對開(kāi)發(fā)人員的開(kāi)發(fā)能力要求較高。
借鑒上述方案的優(yōu)缺點(diǎn)，我們決定把串口服務(wù)器的硬件部分分為幾個(gè)模塊設計，這就是主處理模塊、串口數據處理模塊和以太網(wǎng)接口及控制模塊等幾大模塊來(lái)共同完成串口服務(wù)器的功能。
在器件的選擇上，選用Intel公司的801086芯片作為主處理模塊的處理器芯片，它是一種非常適合于嵌入式應用的高性能、高集成度的16位微處理器，功耗低。由于考慮到串口數據速率較低而以太網(wǎng)的數據傳輸速率高所造成的兩邊速率不匹配的問(wèn)題，我們決定采用符合總線(xiàn)規范的大容量存儲器來(lái)作為數據存儲器；由于主處理模塊還涉及到數據線(xiàn)/地址線(xiàn)復用、串并轉換、器件中斷信號譯碼、時(shí)鐘信號生成、控制信號接入等功能，若是選用不同的器件來(lái)完成，勢必會(huì )造成許多諸如時(shí)延不均等問(wèn)題，我們選用了一片大容量的高性能可編程邏輯器件來(lái)完成上述所提到的功能，這樣的優(yōu)點(diǎn)在于，我們保證了穩定性和高可靠性，并且可編程邏輯器件的可編程功能使得對于信號的處理的空間更大，且具有升級的優(yōu)勢。
以太網(wǎng)接口及控制模塊在串口服務(wù)器的硬件里面起著(zhù)很重要的作用，它所處理的是來(lái)自于以太網(wǎng)的IP數據包，考慮到通用性的原則，我們采用一片以太網(wǎng)控制芯片來(lái)完成這些功能，并在主處理模塊中添加了一片AT24C01來(lái)存儲以太網(wǎng)控制芯片狀態(tài)。通過(guò)主處理模塊對于以太網(wǎng)控制芯片數據及寄存器的讀/寫(xiě)，我們可以完成對IP數據包的分析、解/壓包的工作。
串口數據處理模塊主要完成的是對于串口數據流的電平轉換和數據格式的處理，判斷串行數據的起始位及停止位，完成對數據和校驗位的提取。一般的設計采用的是MAX232和一片UART的設計思想，這里我們也是遵從這種設計理念，不過(guò)我們采用的是集成了MAX232+UART功能的芯片，小尺寸、低成本、低功耗，而且采用與SPITM/QS-PITM/MICROWIRETM兼容的串行接口，節省線(xiàn)路板尺寸與微控制器的I/O端口。
這種模塊化的方案的優(yōu)點(diǎn)在于：采用高速度的16位微控制器，外圍器件少，系統成本低；并且采用Intel公司的開(kāi)發(fā)平臺，可以大幅度地縮短開(kāi)發(fā)周期并降低開(kāi)發(fā)成本。
（2）硬件工作流程及應用架構
主處理器首先初始化網(wǎng)絡(luò )及串口設備，當有數據從以太網(wǎng)傳過(guò)來(lái)，處理器對數據報進(jìn)行分析，如果是ARP（物理地址解析）數據包，則程序轉入ARP處理程序；如果是IP數據包且傳輸層使用UDP，端口正確，則認為數據報正確，數據解包后，將數據部分通過(guò)端口所對應的串口輸出。反之，如果從串口收到數據，則將數據按照UDP格式打包，送入以太網(wǎng)控制芯片，由其將數據輸出到以太網(wǎng)中?？梢灾?，主處理模塊主要處理TCP/IP的網(wǎng)絡(luò )層和傳輸層，鏈路層部分由以太網(wǎng)控制芯片完成。應用層交付軟件系統來(lái)處理，用戶(hù)可以根據需求對收到的數據進(jìn)行處理。
2.硬件系統模塊
根據硬件系統的具體結構和不同功能，我們可以將硬件系統劃分為下述的幾大模塊。
（1）主處理器模塊
該模塊是串口服務(wù)器的核心部分，主要由主處理器、可編程邏輯器件、數據及程序存儲器等器件構成。
主處理模塊完成的功能主要有：在串口數據和以太網(wǎng)IP數據之間建立數據鏈路；通過(guò)對以太網(wǎng)控制芯片的控制讀寫(xiě)來(lái)實(shí)現對IP數據包的接收與發(fā)送；判別串行數據流的格式，完成對串口設備的選擇以及對串行數據流格式的指定；控制串口數據流與IP數據包之間的速率控制，對數據進(jìn)行緩沖處理；對UART和以太網(wǎng)控制芯片的寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，并存儲轉發(fā)器件狀態(tài)；完成16位總線(xiàn)數據的串并行轉換；完成總線(xiàn)地址鎖存功能；完成對各個(gè)串口以及各個(gè)存儲器件的片選功能；完成對各個(gè)串口的中斷口的狀態(tài)判別等功能。
（2）以太網(wǎng)接口及控制模塊
這個(gè)模塊主要由以太網(wǎng)接口部分和以太網(wǎng)控制部分構成。
以太網(wǎng)接口部分完成的是
串口服務(wù)器與以太網(wǎng)接口電路的功能，控制器對所有模塊均有控制作用，使整個(gè)接口電路能協(xié)調地配合后續電路完成以太網(wǎng)的收發(fā)功能。
以太網(wǎng)控制部分由收端和發(fā)端組成，在他們之間還有以太網(wǎng)狀態(tài)檢測和控制單元，以及收發(fā)協(xié)調控制器，見(jiàn)圖5。由于以太網(wǎng)是半雙工工作的，所以這個(gè)部分必須隨時(shí)地監視以太網(wǎng)的狀態(tài)，并且要根據需要對以太網(wǎng)進(jìn)行控制，同時(shí)還要協(xié)調好內部收發(fā)端電路的工作狀態(tài)。以太網(wǎng)檢測單元和收發(fā)協(xié)調控制器就是完成這樣的功能的。以太網(wǎng)狀態(tài)檢測單元與以太網(wǎng)接口的控制器接口，將接口的狀態(tài)送到收發(fā)協(xié)調控制器，同時(shí)將協(xié)調控制器的控制信號進(jìn)行處理，并送到以太網(wǎng)接口的控制器，以控制接口的狀態(tài)。
在收端，接收到的串行數據流信號通過(guò)主處理模塊進(jìn)行串并轉換和編碼，以太網(wǎng)控制單元控制各部分協(xié)調，將產(chǎn)生的地址、數據、寫(xiě)信號送到RAM讀寫(xiě)控制單元進(jìn)行處理。相應的，發(fā)端的工作流程和收端相反。
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