利用串口服務器構建設備本地總線系統

楊振龍　張　偉　李海柱　林洪征

(丹東東方測控技術股份有限公司)

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利用串口服務器構建設備本地總線系統

楊振龍張偉李海柱林洪征

(丹東東方測控技術股份有限公司)

摘要復雜儀器設備傳統的本地通信總線帶寬窄、故障率高，影響其與子系統設備間的數字通信。介紹了串口服務器及其應用的典型網絡拓撲結構，分析了串口服務器的三種工作方式。對比未使用串口服務器設計的一般復雜設備的總線結構和利用串口服務器構建的設備總線結構可知，串口聯網服務器構建設備本地總線系統極大地簡化了系統結構，降低了系統復雜程度，使系統的穩定性、健壯性得到了提高，同時降低了系統維護的難度及工作量，簡化了系統安裝、調試過程。

關鍵詞串口服務器總線系統數據通信

復雜儀器設備往往需要與多個子系統設備進行數字通信，對總線系統要求較高，結構較為復雜。在串口服務器出現以前，總線系統往往需要設計較為復雜的本地通信總線，存在著帶寬窄、故障率高的缺點。利用串口服務器構建設備本地總線可極大地降低總線系統的復雜程度，提高系統穩定性、靈活性、通用性，對于保證儀器設備間正常的通信具有積極作用。

1串口服務器與工作方式

1.1串口服務器

串口服務器，即串口聯網服務器，相當于一臺配置了CPU、實時操作系統和TCP/IP協議的微型電腦，可實現多臺RS-232/485/422串口設備與TCP/IP網絡接口設備間的雙向透明數據傳輸，能夠將RS-232/485/422串行接口轉換成TCP/IP網絡接口，從而極大地擴展了串口設備的通信距離[1-4]。另外，串口服務器還能夠將多路串口輸入集合成單路網口輸出，便于集中多個串口設備。通過一條網線與外界通信，可簡化現場總線結構，降低現場布線難度。串口服務器還可起到擴展PC機串行接口數量的作用。

串口服務器應用的典型網絡拓撲結構示意見圖1。

商業級的串口服務器產品，一般內部都集成有ARP、IP、TCP、HTTP、ICMP、SOCK5、UDP、DNS、HCP等網絡通信協議以及RS-232/422/485三合一串行接口，支持動態IP(DHCP)和靜態IP，支持網關和代理服務器，可以通過Internet傳輸數據。

圖1　串口服務器的典型應用的網絡拓撲結構示意

1.2工作方式

串口服務器一般提供三種工作方式。

(1)TCP/UDP模式。該工作模式下，串口服務器需成對使用，一個作為服務器，另一個作為客戶端。兩者通過IP地址及端口號建立連接，實現數據的雙向透明傳輸。該模式適用于將兩個串口設備之間的串行總線連接改造為TCP/IP 網絡連接。

(2)虛擬串口模式。該工作模式下，通過運行在工作站電腦上的驅動軟件，將工作站上與串口服務器通信的網絡端口映射成一個或多個串行接口(與連接到串口服務器上的串口設備一一對應)，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器上的串口設備進行通信。

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

2未使用串口服務器的設備總線結構

未采用串口服務器之前，一般復雜設備的總線結構示意見圖2。

圖2　一般復雜設備的總線結構示意

該總線結構通過復用單條RS232通信電纜，將多個串口設備連接到主機(終端)上。一些現有的工業現場總線標準即采用這種結構，例如Modbus總線、Profibus總線等。主要優缺點：①優點是總線結構簡單，成本低；②缺點是通信速率低，實時性能差，可靠性差，各設備間彼此關聯，缺乏獨立性，高速設備要遷就低速設備，不能隨意更換某個設備的型號，且主機通信協議復雜，模塊化程度很低，可維護性差。

3利用串口服務器構建設備總線結構

為解決總線系統的各種缺點，需要在主機與各子設備間增加一個調度設備，即網關，由它負責統一管理主機與各子設備間的通信。

串口服務器本質上就相當于一個網關，可以使主機與各子設備間進行無差別的互連與通信。此外，它與普通網關的差別是：它可以表現得像一個串口擴展設備那樣，擴展主機的串口數量，從而可以使主機與各子設備間像使用本地串口那樣進行通信。這正是上述系統期望的通信方式，它避免了原總線系統中各子設備間的互相干擾問題，同時還可以使用串口通信協議進行通信，而主機和各子設備則不需做任何軟硬件更改即可正常工作。利用串口服務器構建的設備總線結構示意見圖3。

圖3　利用串口服務器構建設備總線結構

新總線結構的串口服務器采用虛擬串口模式工作，主要優缺點：①優點是系統穩定、可靠，抗干擾能力強，各設備間彼此獨立，互不干擾，對主機結構透明，編程簡單，容易進行模塊化封裝，干線帶寬較大，通信速率高，實時性好，維護容易；②缺點是成本較高。

4結論

采用串口服務器構建復雜儀器設備的本地總線結構，可極大地簡化系統結構，增加系統硬件選擇的靈活性、通用性，降低了系統維護成本，縮短了系統開發周期。雖然選擇串口服務器后，系統硬件成本有所增加，但具有可觀的綜合效益，可進行推廣應用。

參考文獻

[1]Douglas E. Comer.用TCP/IP進行網際互聯——原理、協議與結構[M].林瑤，蔣慧，杜蔚軒，等，譯. 北京：電子工業出版社，2007.

[2]Andrew S. Tanenbaum, David J. Wetherall.計算機網絡[M].嚴偉，潘愛民，譯.北京：清華大學出版社，2012.

[3]宮崎誠一.微型計算機數據傳輸基礎與實踐[M].陸玉庫，于翼，譯.北京：人民郵電出版社，1990.

[4]梁濤，楊彬，岳大為.Profibus現場總線控制系統的設計與開發[M].北京：國防工業出版社，2013.

(收稿日期2015-12-03)

*國家重大科學儀器設備開發專項(編號：2012YQ240121)。

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