利用串口服务器构建设备本地总线系统

杨振龙　张　伟　李海柱　林洪征

(丹东东方测控技术股份有限公司)



利用串口服务器构建设备本地总线系统

杨振龙张伟李海柱林洪征

(丹东东方测控技术股份有限公司)

摘要复杂仪器设备传统的本地通信总线带宽窄、故障率高，影响其与子系统设备间的数字通信。介绍了串口服务器及其应用的典型网络拓扑结构，分析了串口服务器的三种工作方式。对比未使用串口服务器设计的一般复杂设备的总线结构和利用串口服务器构建的设备总线结构可知，串口联网服务器构建设备本地总线系统极大地简化了系统结构，降低了系统复杂程度，使系统的稳定性、健壮性得到了提高，同时降低了系统维护的难度及工作量，简化了系统安装、调试过程。

关键词串口服务器总线系统数据通信

复杂仪器设备往往需要与多个子系统设备进行数字通信，对总线系统要求较高，结构较为复杂。在串口服务器出现以前，总线系统往往需要设计较为复杂的本地通信总线，存在着带宽窄、故障率高的缺点。利用串口服务器构建设备本地总线可极大地降低总线系统的复杂程度，提高系统稳定性、灵活性、通用性，对于保证仪器设备间正常的通信具有积极作用。

1串口服务器与工作方式

1.1串口服务器

串口服务器，即串口联网服务器，相当于一台配置了CPU、实时操作系统和TCP/IP协议的微型电脑，可实现多台RS-232/485/422串口设备与TCP/IP网络接口设备间的双向透明数据传输，能够将RS-232/485/422串行接口转换成TCP/IP网络接口，从而极大地扩展了串口设备的通信距离[1-4]。另外，串口服务器还能够将多路串口输入集合成单路网口输出，便于集中多个串口设备。通过一条网线与外界通信，可简化现场总线结构，降低现场布线难度。串口服务器还可起到扩展PC机串行接口数量的作用。

串口服务器应用的典型网络拓扑结构示意见图1。

商业级的串口服务器产品，一般内部都集成有ARP、IP、TCP、HTTP、ICMP、SOCK5、UDP、DNS、HCP等网络通信协议以及RS-232/422/485三合一串行接口，支持动态IP(DHCP)和静态IP，支持网关和代理服务器，可以通过Internet传输数据。

图1　串口服务器的典型应用的网络拓扑结构示意

1.2工作方式

串口服务器一般提供三种工作方式。

(1)TCP/UDP模式。该工作模式下，串口服务器需成对使用，一个作为服务器，另一个作为客户端。两者通过IP地址及端口号建立连接，实现数据的双向透明传输。该模式适用于将两个串口设备之间的串行总线连接改造为TCP/IP 网络连接。

(2)虚拟串口模式。该工作模式下，通过运行在工作站电脑上的驱动软件，将工作站上与串口服务器通信的网络端口映射成一个或多个串行接口(与连接到串口服务器上的串口设备一一对应)，即虚拟串口，从而使工作站可以用操作普通串口的方式来与各串口设备通信。该模式对于工作站端软件编写来说是透明的，工作站上已有的串口通信软件可以不做任何改动即可与连接到串口服务器上的串口设备进行通信。

(3)SOCKET模式。该工作模式下，工作站端软件使用SOCKET协议编写通信程序与串口服务器通信，其硬件连接方式与虚拟串口模式相同。

2未使用串口服务器的设备总线结构

未采用串口服务器之前，一般复杂设备的总线结构示意见图2。

图2　一般复杂设备的总线结构示意

该总线结构通过复用单条RS232通信电缆，将多个串口设备连接到主机(终端)上。一些现有的工业现场总线标准即采用这种结构，例如Modbus总线、Profibus总线等。主要优缺点：①优点是总线结构简单，成本低；②缺点是通信速率低，实时性能差，可靠性差，各设备间彼此关联，缺乏独立性，高速设备要迁就低速设备，不能随意更换某个设备的型号，且主机通信协议复杂，模块化程度很低，可维护性差。

3利用串口服务器构建设备总线结构

为解决总线系统的各种缺点，需要在主机与各子设备间增加一个调度设备，即网关，由它负责统一管理主机与各子设备间的通信。

串口服务器本质上就相当于一个网关，可以使主机与各子设备间进行无差别的互连与通信。此外，它与普通网关的差别是：它可以表现得像一个串口扩展设备那样，扩展主机的串口数量，从而可以使主机与各子设备间像使用本地串口那样进行通信。这正是上述系统期望的通信方式，它避免了原总线系统中各子设备间的互相干扰问题，同时还可以使用串口通信协议进行通信，而主机和各子设备则不需做任何软硬件更改即可正常工作。利用串口服务器构建的设备总线结构示意见图3。

图3　利用串口服务器构建设备总线结构

新总线结构的串口服务器采用虚拟串口模式工作，主要优缺点：①优点是系统稳定、可靠，抗干扰能力强，各设备间彼此独立，互不干扰，对主机结构透明，编程简单，容易进行模块化封装，干线带宽较大，通信速率高，实时性好，维护容易；②缺点是成本较高。

4结论

采用串口服务器构建复杂仪器设备的本地总线结构，可极大地简化系统结构，增加系统硬件选择的灵活性、通用性，降低了系统维护成本，缩短了系统开发周期。虽然选择串口服务器后，系统硬件成本有所增加，但具有可观的综合效益，可进行推广应用。

参考文献

[1]Douglas E. Comer.用TCP/IP进行网际互联——原理、协议与结构[M].林瑶，蒋慧，杜蔚轩，等，译. 北京：电子工业出版社，2007.

[2]Andrew S. Tanenbaum, David J. Wetherall.计算机网络[M].严伟，潘爱民，译.北京：清华大学出版社，2012.

[3]宫崎诚一.微型计算机数据传输基础与实践[M].陆玉库，于翼，译.北京：人民邮电出版社，1990.

[4]梁涛，杨彬，岳大为.Profibus现场总线控制系统的设计与开发[M].北京：国防工业出版社，2013.

(收稿日期2015-12-03)

*国家重大科学仪器设备开发专项(编号：2012YQ240121)。

杨振龙(1976—)，男，工程师，118000 辽宁省丹东市滨江中路136号。