干貨-串口服務器定義、原理、國家標準
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串口服務器是為RS-232/485/422到TCP/IP 之間完成數(shù)據(jù)轉換的通訊接口轉換器。提供RS-232/485/422終端串口與TCP/IP網絡的數(shù)據(jù)雙向透明傳輸，提供串口轉網絡功能，RS-232/485/422轉網絡的解決方案。可以讓串口設備立即聯(lián)接網絡。
隨著Internet的廣泛普及，“讓全部設備連接網絡”已經成為全世界企業(yè)的共識。為了能跟上網絡自動化的潮流，不至于失去競爭優(yōu)勢，必須建立高品位的數(shù)據(jù)采集、生產監(jiān)控、即時成本管理的聯(lián)網系統(tǒng)。利用基于TCP/IP的串口數(shù)據(jù)流傳輸?shù)膶崿F(xiàn)來控制管理的設備硬件，無需投資大量的人力、物力來進行管理、更換或者升級。
串口服務器就使得基于TCP/IP的串口數(shù)據(jù)流傳輸成為了可能，它能將多個串口設備連接并能將串口數(shù)據(jù)流進行選擇和處理，把現(xiàn)有的RS 232接口的數(shù)據(jù)轉化成IP端口的數(shù)據(jù)，然后進行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備，從而提高了現(xiàn)有設備的利用率，節(jié)約了投資，還可在既有的網絡基礎上簡化布線復雜度。
串口服務器完成的是一個面向連接的RS 232鏈路和面向無連接以太網之間的通信數(shù)據(jù)的存儲控制，系統(tǒng)對各種數(shù)據(jù)進行處理，處理來自串口設備的串口數(shù)據(jù)流，并進行格式轉換，使之成為可以在以太網中傳播的數(shù)據(jù)幀；對來自以太網的數(shù)據(jù)幀進行判斷，并轉換成串行數(shù)據(jù)送達響應的串口設備。
二、串口服務器的特點：
內部集成 ARP，IP，TCP ,HTTP，ICMP，SOCK5，UDP，DNS等協(xié)議。RS-485/422轉換提供數(shù)據(jù)自動控制。RS-232/422/485三合一串行接口 , 300-230.4KBPS波特率。支持動態(tài)IP（DHCP）和靜態(tài)IP，支持網關和代理服務器，可以通過Internet傳輸數(shù)據(jù)。提供數(shù)據(jù)雙向透明傳輸，用戶不需要對原有系統(tǒng)做任何修改。所有串口內置600W防雷 。10/100M以太網、自動偵測直連或交叉線。可以同時支持多個連接。
三、串口服務器工作方式及通訊模式：
工作方式：
1.服務器方式：在該工作方式下，串口聯(lián)網服務器作為TCP服務器端， 轉換器在指定的TCP端口上監(jiān)聽平臺程序的連接請求，該方式比較適合于一個轉換器與多個平臺程序建立連接（一個轉換器不能同時與多個平臺程序建立連接）。
2.客戶端方式：在該工作方式下，串口聯(lián)網服務器 作為 TCP 客戶端，轉換器上電時主動向平臺程序請求連接，該方式比較適合于多個轉換器同時向一個平臺程序建立連接。
通訊模式：
1.點對點通訊模式：該模式下，轉換器成對的使用，一個作為服務器端，一個作為客戶端，兩者之間建立連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向透明傳輸。該模式適用于將兩個串口設備之間的總線連接改造為 TCP/IP 網絡連接。
2.使用虛擬串口通訊模式：該模式下，一個或者多個轉換器與一臺電腦建立連接，實現(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換器，可以實現(xiàn)一個虛擬串口對應多個轉換器， N 個虛擬串口對應 M 個轉換器（ N
3.基于網絡通訊模式： 該模式下，電腦上的應用程序基于SOCKET 協(xié)議編寫了通訊程序，在轉換器設置上直接選擇支持 SOCKET 協(xié)議即可。
四、串口服務器應用領域：
它主要應用在門禁系統(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)是實現(xiàn)整個系統(tǒng)功能的基礎，是整個設計實現(xiàn)的關鍵。
整個串口服務器的關鍵在于串口數(shù)據(jù)包與TCP/IP數(shù)據(jù)報之間的轉換以及雙方數(shù)據(jù)因為速率不同而存在的速率匹配問題，在對串口服務器的實現(xiàn)過程中，也必須著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(tǒng)組成模塊
在制定設計方案和選定器件時遇到的技術難點是如何利用處理器對串口數(shù)據(jù)信息進行TCP/IP協(xié)議處理，使之變成可以在互聯(lián)網上傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包。目前解決這個問題很多時候采用32位MCU + RTOS方案，這種方案是采用32位高檔單片機，在RTOS（實時多任務操作系統(tǒng)）的平臺上進行軟件開發(fā)，在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)TCP/IP的協(xié)議處理。它的缺點是：單片機價格較高，開發(fā)周期較長；需要購買昂貴的RTOS開發(fā)軟件，對開發(fā)人員的開發(fā)能力要求較高。
借鑒上述方案的優(yōu)缺點，我們決定把串口服務器的硬件部分分為幾個模塊設計，這就是主處理模塊、串口數(shù)據(jù)處理模塊和以太網接口及控制模塊等幾大模塊來共同完成串口服務器的功能。
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(shù)據(jù)速率較低而以太網的數(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)范的大容量存儲器來作為數(shù)據(jù)存儲器；由于主處理模塊還涉及到數(shù)據(jù)線/地址線復用、串并轉換、器件中斷信號譯碼、時鐘信號生成、控制信號接入等功能，若是選用不同的器件來完成，勢必會造成許多諸如時延不均等問題，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于信號的處理的空間更大，且具有升級的優(yōu)勢。
以太網接口及控制模塊在串口服務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來存儲以太網控制芯片狀態(tài)。通過主處理模塊對于以太網控制芯片數(shù)據(jù)及寄存器的讀/寫，我們可以完成對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于串口數(shù)據(jù)流的電平轉換和數(shù)據(jù)格式的處理，判斷串行數(shù)據(jù)的起始位及停止位，完成對數(shù)據(jù)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，可以大幅度地縮短開發(fā)周期并降低開發(fā)成本。
（2）硬件工作流程及應用架構
主處理器首先初始化網絡及串口設備，當有數(shù)據(jù)從以太網傳過來，處理器對數(shù)據(jù)報進行分析，如果是ARP（物理地址解析）數(shù)據(jù)包，則程序轉入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，則認為數(shù)據(jù)報正確，數(shù)據(jù)解包后，將數(shù)據(jù)部分通過端口所對應的串口輸出。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，送入以太網控制芯片，由其將數(shù)據(jù)輸出到以太網中。可以知道，主處理模塊主要處理TCP/IP的網絡層和傳輸層，鏈路層部分由以太網控制芯片完成。應用層交付軟件系統(tǒng)來處理，用戶可以根據(jù)需求對收到的數(shù)據(jù)進行處理。
2.硬件系統(tǒng)模塊
根據(jù)硬件系統(tǒng)的具體結構和不同功能，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)及程序存儲器等器件構成。
主處理模塊完成的功能主要有：在串口數(shù)據(jù)和以太網IP數(shù)據(jù)之間建立數(shù)據(jù)鏈路；通過對以太網控制芯片的控制讀寫來實現(xiàn)對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，完成對串口設備的選擇以及對串行數(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，對數(shù)據(jù)進行緩沖處理；對UART和以太網控制芯片的寄存器進行讀寫操作，并存儲轉發(fā)器件狀態(tài)；完成16位總線數(shù)據(jù)的串并行轉換；完成總線地址鎖存功能；完成對各個串口以及各個存儲器件的片選功能；完成對各個串口的中斷口的狀態(tài)判別等功能。
（2）以太網接口及控制模塊
這個模塊主要由以太網接口部分和以太網控制部分構成。
以太網接口部分完成的是
串口服務器與以太網接口電路的功能，控制器對所有模塊均有控制作用，使整個接口電路能協(xié)調地配合后續(xù)電路完成以太網的收發(fā)功能。
以太網控制部分由收端和發(fā)端組成，在他們之間還有以太網狀態(tài)檢測和控制單元，以及收發(fā)協(xié)調控制器，見圖5。由于以太網是半雙工工作的，所以這個部分必須隨時地監(jiān)視以太網的狀態(tài)，并且要根據(jù)需要對以太網進行控制，同時還要協(xié)調好內部收發(fā)端電路的工作狀態(tài)。以太網檢測單元和收發(fā)協(xié)調控制器就是完成這樣的功能的。以太網狀態(tài)檢測單元與以太網接口的控制器接口，將接口的狀態(tài)送到收發(fā)協(xié)調控制器，同時將協(xié)調控制器的控制信號進行處理，并送到以太網接口的控制器，以控制接口的狀態(tài)。
在收端，接收到的串行數(shù)據(jù)流信號通過主處理模塊進行串并轉換和編碼，以太網控制單元控制各部分協(xié)調，將產生的地址、數(shù)據(jù)、寫信號送到RAM讀寫控制單元進行處理。相應的，發(fā)端的工作流程和收端相反。
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