干貨-串口服務(wù)器定義、原理、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)
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串口服務(wù)器是為RS-232/485/422到TCP/IP 之間完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的通訊接口轉(zhuǎn)換器。提供RS-232/485/422終端串口與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)雙向透明傳輸，提供串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)功能，RS-232/485/422轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)的解決方案?？梢宰尨谠O(shè)備立即聯(lián)接網(wǎng)絡(luò)。
隨著Internet的廣泛普及，“讓全部設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)”已經(jīng)成為全世界企業(yè)的共識(shí)。為了能跟上網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化的潮流，不至于失去競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，必須建立高品位的數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)監(jiān)控、即時(shí)成本管理的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。利用基于TCP/IP的串口數(shù)據(jù)流傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)來控制管理的設(shè)備硬件，無需投資大量的人力、物力來進(jìn)行管理、更換或者升級(jí)。
串口服務(wù)器就使得基于TCP/IP的串口數(shù)據(jù)流傳輸成為了可能，它能將多個(gè)串口設(shè)備連接并能將串口數(shù)據(jù)流進(jìn)行選擇和處理，把現(xiàn)有的RS 232接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成IP端口的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行IP化的管理，IP化的數(shù)據(jù)存取，這樣就能將傳統(tǒng)的串行數(shù)據(jù)送上流行的IP通道，而無需過早淘汰原有的設(shè)備，從而提高了現(xiàn)有設(shè)備的利用率，節(jié)約了投資，還可在既有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化布線復(fù)雜度。
串口服務(wù)器完成的是一個(gè)面向連接的RS 232鏈路和面向無連接以太網(wǎng)之間的通信數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)控制，系統(tǒng)對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理來自串口設(shè)備的串口數(shù)據(jù)流，并進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，使之成為可以在以太網(wǎng)中傳播的數(shù)據(jù)幀；對(duì)來自以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行判斷，并轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)送達(dá)響應(yīng)的串口設(shè)備。
二、串口服務(wù)器的特點(diǎn)：
內(nèi)部集成 ARP，IP，TCP ,HTTP，ICMP，SOCK5，UDP，DNS等協(xié)議。RS-485/422轉(zhuǎn)換提供數(shù)據(jù)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Internet傳輸數(shù)據(jù)。提供數(shù)據(jù)雙向透明傳輸，用戶不需要對(duì)原有系統(tǒng)做任何修改。所有串口內(nèi)置600W防雷 。10/100M以太網(wǎng)、自動(dòng)偵測(cè)直連或交叉線?？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TCP服務(wù)器端， 轉(zhuǎn)換器在指定的TCP端口上監(jiān)聽平臺(tái)程序的連接請(qǐng)求，該方式比較適合于一個(gè)轉(zhuǎn)換器與多個(gè)平臺(tái)程序建立連接（一個(gè)轉(zhuǎn)換器不能同時(shí)與多個(gè)平臺(tái)程序建立連接）。
2.客戶端方式：在該工作方式下，串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器 作為 TCP 客戶端，轉(zhuǎn)換器上電時(shí)主動(dòng)向平臺(tái)程序請(qǐng)求連接，該方式比較適合于多個(gè)轉(zhuǎn)換器同時(shí)向一個(gè)平臺(tái)程序建立連接。
通訊模式：
1.點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊模式：該模式下，轉(zhuǎn)換器成對(duì)的使用，一個(gè)作為服務(wù)器端，一個(gè)作為客戶端，兩者之間建立連接，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)備之間的總線連接改造為 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(zhuǎn)換器與一臺(tái)電腦建立連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向透明傳輸。由電腦上的虛擬串口軟件管理下面的轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)虛擬串口對(duì)應(yīng)多個(gè)轉(zhuǎn)換器， N 個(gè)虛擬串口對(duì)應(yīng) M 個(gè)轉(zhuǎn)換器（ N
3.基于網(wǎng)絡(luò)通訊模式： 該模式下，電腦上的應(yīng)用程序基于SOCKET 協(xié)議編寫了通訊程序，在轉(zhuǎn)換器設(shè)置上直接選擇支持 SOCKET 協(xié)議即可。
四、串口服務(wù)器應(yīng)用領(lǐng)域：
它主要應(yīng)用在門禁系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、售飯系統(tǒng)、 POS 系統(tǒng)、樓宇自控系統(tǒng)、自助銀行系統(tǒng)電信機(jī)房監(jiān)控，電力監(jiān)控等。
五、硬件系統(tǒng)及其模塊：
1.硬件系統(tǒng)
硬件系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)，是整個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。
整個(gè)串口服務(wù)器的關(guān)鍵在于串口數(shù)據(jù)包與TCP/IP數(shù)據(jù)報(bào)之間的轉(zhuǎn)換以及雙方數(shù)據(jù)因?yàn)樗俾什煌嬖诘乃俾势ヅ鋯栴}，在對(duì)串口服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)過程中，也必須著重考慮所做的設(shè)計(jì)和所選擇的器件是否能夠完成這些功能。
（1）硬件系統(tǒng)組成模塊
在制定設(shè)計(jì)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(duì)串口數(shù)據(jù)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?shù)腎P數(shù)據(jù)包。目前解決這個(gè)問題很多時(shí)候采用32位MCU + RTOS方案，這種方案是采用32位高檔單片機(jī)，在RTOS（實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)）的平臺(tái)上進(jìn)行軟件開發(fā)，在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)TCP/IP的協(xié)議處理。它的缺點(diǎn)是：?jiǎn)纹瑱C(jī)價(jià)格較高，開發(fā)周期較長(zhǎng)；需要購(gòu)買昂貴的RTOS開發(fā)軟件，對(duì)開發(fā)人員的開發(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(shè)計(jì)，這就是主處理模塊、串口數(shù)據(jù)處理模塊和以太網(wǎng)接口及控制模塊等幾大模塊來共同完成串口服務(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(yīng)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(shù)據(jù)速率較低而以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率高所造成的兩邊速率不匹配的問題，我們決定采用符合總線規(guī)范的大容量存儲(chǔ)器來作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；由于主處理模塊還涉及到數(shù)據(jù)線/地址線復(fù)用、串并轉(zhuǎn)換、器件中斷信號(hào)譯碼、時(shí)鐘信號(hào)生成、控制信號(hào)接入等功能，若是選用不同的器件來完成，勢(shì)必會(huì)造成許多諸如時(shí)延不均等問題，我們選用了一片大容量的高性能可編程邏輯器件來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(wěn)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(duì)于信號(hào)的處理的空間更大，且具有升級(jí)的優(yōu)勢(shì)。
以太網(wǎng)接口及控制模塊在串口服務(wù)器的硬件里面起著很重要的作用，它所處理的是來自于以太網(wǎng)的IP數(shù)據(jù)包，考慮到通用性的原則，我們采用一片以太網(wǎng)控制芯片來完成這些功能，并在主處理模塊中添加了一片AT24C01來存儲(chǔ)以太網(wǎng)控制芯片狀態(tài)。通過主處理模塊對(duì)于以太網(wǎng)控制芯片數(shù)據(jù)及寄存器的讀/寫，我們可以完成對(duì)IP數(shù)據(jù)包的分析、解/壓包的工作。
串口數(shù)據(jù)處理模塊主要完成的是對(duì)于串口數(shù)據(jù)流的電平轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)格式的處理，判斷串行數(shù)據(jù)的起始位及停止位，完成對(duì)數(shù)據(jù)和校驗(yàn)位的提取。一般的設(shè)計(jì)采用的是MAX232和一片UART的設(shè)計(jì)思想，這里我們也是遵從這種設(shè)計(jì)理念，不過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(jié)省線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(tǒng)成本低；并且采用Intel公司的開發(fā)平臺(tái)，可以大幅度地縮短開發(fā)周期并降低開發(fā)成本。
（2）硬件工作流程及應(yīng)用架構(gòu)
主處理器首先初始化網(wǎng)絡(luò)及串口設(shè)備，當(dāng)有數(shù)據(jù)從以太網(wǎng)傳過來，處理器對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行分析，如果是ARP（物理地址解析）數(shù)據(jù)包，則程序轉(zhuǎn)入ARP處理程序；如果是IP數(shù)據(jù)包且傳輸層使用UDP，端口正確，則認(rèn)為數(shù)據(jù)報(bào)正確，數(shù)據(jù)解包后，將數(shù)據(jù)部分通過端口所對(duì)應(yīng)的串口輸出。反之，如果從串口收到數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)按照UDP格式打包，送入以太網(wǎng)控制芯片，由其將數(shù)據(jù)輸出到以太網(wǎng)中。可以知道，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(yīng)用層交付軟件系統(tǒng)來處理，用戶可以根據(jù)需求對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
2.硬件系統(tǒng)模塊
根據(jù)硬件系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)和不同功能，我們可以將硬件系統(tǒng)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(shù)據(jù)及程序存儲(chǔ)器等器件構(gòu)成。
主處理模塊完成的功能主要有：在串口數(shù)據(jù)和以太網(wǎng)IP數(shù)據(jù)之間建立數(shù)據(jù)鏈路；通過對(duì)以太網(wǎng)控制芯片的控制讀寫來實(shí)現(xiàn)對(duì)IP數(shù)據(jù)包的接收與發(fā)送；判別串行數(shù)據(jù)流的格式，完成對(duì)串口設(shè)備的選擇以及對(duì)串行數(shù)據(jù)流格式的指定；控制串口數(shù)據(jù)流與IP數(shù)據(jù)包之間的速率控制，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖處理；對(duì)UART和以太網(wǎng)控制芯片的寄存器進(jìn)行讀寫操作，并存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)器件狀態(tài)；完成16位總線數(shù)據(jù)的串并行轉(zhuǎn)換；完成總線地址鎖存功能；完成對(duì)各個(gè)串口以及各個(gè)存儲(chǔ)器件的片選功能；完成對(duì)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(gòu)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(duì)所有模塊均有控制作用，使整個(gè)接口電路能協(xié)調(diào)地配合后續(xù)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(cè)和控制單元，以及收發(fā)協(xié)調(diào)控制器，見圖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(jiān)視以太網(wǎng)的狀態(tài)，并且要根據(jù)需要對(duì)以太網(wǎng)進(jìn)行控制，同時(shí)還要協(xié)調(diào)好內(nèi)部收發(fā)端電路的工作狀態(tài)。以太網(wǎng)檢測(cè)單元和收發(fā)協(xié)調(diào)控制器就是完成這樣的功能的。以太網(wǎng)狀態(tài)檢測(cè)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(diào)控制器，同時(shí)將協(xié)調(diào)控制器的控制信號(hào)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(shù)據(jù)流信號(hào)通過主處理模塊進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換和編碼，以太網(wǎng)控制單元控制各部分協(xié)調(diào)，將產(chǎn)生的地址、數(shù)據(jù)、寫信號(hào)送到RAM讀寫控制單元進(jìn)行處理。相應(yīng)的，發(fā)端的工作流程和收端相反。
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