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计算机监控接口技术研究
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数据采集/无线通讯展厅
通讯卡, 数据采集卡, 无线通讯模块, 远程监控系统, RFID, 信号隔离器, 转换器...
1 引言

串行接口一般包括RS232/422/485,其技术简单成熟,性能可靠,价格低廉,所要求的软硬件环境或条件都很低,广泛应用于计算机及相关领域,遍及调制解调器、串行打印机、各种监控模块、PLC、摄像头云台、数控机床、单片机及相关智能设备,甚至路由器也不例外(通过串口设置参数)。在计算机监控系统中,主控机一般采用工控机,通过串口与监控模块相连,监控模块再连接相应的传感器和执行器,如此形成一个简单的双层结构的计算机监控系统。这种结构主要用于单独的中小型企业或部门,如果属于综合型企业或部门,如电力系统监控,高速公路监控和收费系统,则可以此为基础结构进行扩充,用集线器将众多双层监控系统连接起来,再用交换机将若干集线器连接起来,统一接上路由器,从而跟Internet互联(当然,软件结构也得作调整),如此即可形成一个庞大的计算机监控网络。由此可见,串行接口和网口是计算机监控系统中最基本、最实用,也是最有效的接口。

2 串行接口和网口的硬件特性

RS232接口是一种用于近距离(一般在15米之内,最长不超过30至60米)、慢速度、点对点的通讯协议。虽然有9根线,但是,只要发送线TxD、接收线RxD、地线GND即可工作。在RS232中一个信号只用到一条信号线,采取与地电压参考的方式,因而在长距离传输后,发送端和接收端的对地电压有出入,容易造成通讯出错或速度降低[1]。如果采用光电隔离的长线驱动器,也可使通讯距离延长至2000米。RS232的最高速率一般可达到115200bit/s,通常默认的工作参数为:9600bit/s,8位,无校验。

RS485/422接口采用不同的方式:每个信号都采用双绞线(两根信号线)传送,两条线间的电压差用于表示数字信号。例如把双绞线中的一根标为A(正),另一根标为B(负),当A为正电压(通常为+5V),B为负电压时(通常为0),表示信号“1”;反之,A为负电压,B为正电压时表示信号“0”。RS485/422允许通讯距离可达到1200米,采用合适的电路可达到2.5MB/s的传输速率。

RS422与RS485采用相同的通讯协议,但有所不同:RS422通常作为RS232通讯的扩展,它采用两根双绞线,数据可以同时双向传递(全双工)。RS485则采用一根双绞线,输入输出信号不能同时进行(半双工)。但是,RS485可用于多点通讯,一条信号线上可连接多台设备。

网口一般使用RJ45 头,采用8芯(4对)双绞线,只用其中2对,另外2对将来扩展使用。8芯双绞线的作用和颜色如表1所示(RJ45头的金属线向上,双绞线靠近自己,从左到右即为1至8的顺序)。

表1 双绞线的功能和颜色

在双绞线中橙、绿两对线比另外两对绕得更紧一些, 所以在有关标准中规定用这两对线作收发线, 可以有更长的传输距离。网口的传输速率可以根据实际需要进行设定,只要不超过网卡的参数和网络带宽及计算机的处理速度。

3 串行接口和网口之间的硬件通讯连接与转换

3.1 各对等接口之间的通讯连接方法

两台RS232设备之间的通讯连接,只要发送线与接收线交叉连接,地线直接连接即可。一般用于主控机(如工控机)与受控机(CPU模块)之间的连接。

RS422是对RS232的扩展,RS232只能进行半双工通讯,而RS422可以进行全双工通讯,而且传输速率高,距离远。两台RS422设备之间的通讯连接,也只是发送线与接收线交叉连接。由于发送线和接收线各自有两根,交叉后正极与正极相连,负极与负极相连。这种情况主要用于受控机离主控机距离较远,在主控机的RS232上挂接RS232/422转换器,从而实现两台RS422设备之间的连接。

RS485可以说是最简单高效的串口了,传输速率高,距离远,一条信号线上一般可以连接多达128台设备,执行器一般配备此接口。两台RS485设备之间的通讯连接,只要直连即可,即正极连接正极,负极连接负极。受控机一般配备标准的串口,即RS232,同时配备RS485,用于跟距离较远的多台执行器通讯,发送命令或查询设备状态。

为了适应网络化的发展,现在不少受控机(CPU模块)已经配备了网口(RJ45)。两台RJ45设备之间的连接,均按照表1接线,借助集线器即可。如果直接连接,即摒弃集线器,只要参考两台RS422设备之间的连接即可。

3.2 各接口之间的通讯转换方法

各串口之间的转换与串口与网口之间的转换,现在都有成熟的产品。在串口转换器中,仅用到COM端口的3根线:TxD,RxD,GND(它们分别是D型接口的3脚,2脚和5脚),TxD为信号输出线,RxD为信号输入线,GND为地。

RS232/485转换器:发送信号时,由TxD输出的RS232信号经发送器输出,转换为RS485信号;接收信号时,RS485信号经接收器接收并转换为RS232信号,传给RxD。

RS232/422转换器:因RS422信号的输入和输出分开,所以需要两根双绞线来传送输入和输出信号。发送信号时,由TxD输出的RS232信号经发送器输出,转换为RS422信号;接收信号时,RS422信号经接收器接收后传给串口的RxD。

RS232/485/422转换器按照供电方式来划分,有无源和有源两种。无源转换器采用高效率的窃电和实时储能技术,无须外接电源,因而,使用更加方便可靠,不必担心转换器的供电故障。

现有的硬件以太网串行网关可以直接提供将RS232/485/422串行接口接入工业以太网的连接,配置通讯参数,而且还提供一定的协议功能。但是,价格相对较贵。典型的综合计算机监控系统的硬件结构如图1所示。其中,一台主控机可以带多台受控机,一个小型的计算机监控系统通过因特网,可以组建一个综合系统,不受地理条件的限制。


图1 典型的计算机监控系统硬件结构

4 串行接口和网口之间的软件转换

无论是串行通讯还是网络通讯,都不能保证其数据传输平稳流畅,即数据有间断性。应该根据具体的情况,将一定时间内的不连续的数据合并成一个完整的数据包,进行校验分析。将属于一个数据包的不连续的数据分开,或将不属于一个数据包的数据合并处理都是错误的,这是由于软件处理不当所造成的严重的通讯故障。实际的数据流示例如图2所示。受控机的软件一般采用低级语言编写,这可以通过设置循环次数来收集数据,如果在设置的最大的时间片内没有新的数据到达,则当前数据为一个数据包,作为整体进行处理。在主控机端则可以简单地通过定时器来实现。对于串行通讯,等待的时间片由字节数来计算,并考虑波特率和具体的串口类型。


图2 实际数据流

带有RS232和RS485的受控机(CPU模块),其工作原理就是收集具有RS485接口的执行器和传感器中的数据,通过软件转换成主控机的RS232可以接受的数据格式;或接受主控机命令,发送至执行器。由于RS485只能单向传输,通过RS485发送完数据后,必须立即转换为接收状态,以处理响应的数据。其软件设计必须处理好图1的实际问题,这是通讯的关键。典型的和比较通用的数据发送和接收程序可参考文献[2]。

由于计算机一般配备网口(RJ45)和串口(RS232),所以,用软件来实现网口和串口之间的数据转换,是一个安全、可靠和方便的手段,避免了硬件串行网关的设备故障的可能性。可以通过Visual Basic语言,采用串行通讯控件MsComm32.OCX和网络通讯控件WinSock.OCX[3][4]来实现,两个控件的收发数据的变量类型都应设置为变体Variant,因为在数据包中存在“00”字节是常有的事,如果设置为字符串String,“00”字节后面的数据将被截去。MsComm控件是通过Input和Output属性来收发数据的,应将接收阈值设为1,即一有数据,立即响应,当发生数据到达事件comEvReceive时,通过Input属性直接读取数据,然后通过Winsock的SendData立即转发(见图3-1所示)。对于WinSock控件,当发生DataArrival事件时,用GetData函数读取,然后通过MsComm控件的Output属性立即转发(见图3-2所示)。

串口的通讯属性必须与对等设备的通讯属性一致。至于网口,可以有两种方式与对等设备建立连接,如果对等设备以服务器方式工作,则以客户机方式(Winsock.Connect)建立连接(预先设置服务器的IP地址和端口号);如果对等设备以客户机方式工作,则以服务器方式(Winsock.Listen)侦听,等待客户机的连接请求并作出相应的处理。

5 远程测试模型及分析

对计算机监控系统进行测试的最理想的地理位置,一般是现场,因为只有在现场,才能观察各种复杂的因素。有的监控模块可以通过撤换法进行查错,然而,大型设备,如大型柴油发电机组,难以搬迁,也无法替换。如何采用一种简洁高效的方式,对现场监控系统和设备进行检测?文献[5]介绍了一个“智能设备的通用测试”软件,通过串口进行测试,只能在近距离或现场进行。借助上文的串口和网口的转换软件,可以实现远距离现场测试。远程测试模型如图4所示,服务器和客户机都是普通的PC机,均运行RS232/RJ45转换软件。


图4 远程测试模型

工程师以服务器方式设置RS232/RJ45转换软件,将此信息及服务器的IP地址与侦听端口以电子的方式通知用户,用户根据工程师的指示,将RS232/RJ45转换软件设置成客户机方式,并向服务器发送连接请求,如此建立连接,同时,用户连接好客户机与被测对象之间的通讯电缆,接通电源,将客户机的串口参数与被测对象的串口参数设为一致。服务器上运行两个独立的软件,另一个为“智能设备的通用测试”[5]软件,两个软件之间没有共享的数据区,只通过接口发生关系:转换软件将网口接收的数据发往串口COM1,测试软件在串口COM2接收到数据后进行分析处理,并通过COM2发送命令至COM1;转换软件又从COM1接收数据,通过网口将命令转发到客户机,从而抵达被测对象。

对于测试结果,如果属于软故障,即非设备故障,工程师可以通过电子协作指示用户对系统加以调整或维护;如果是硬故障,即设备故障,工程师可以根据具体情况,有准备地去现场解决问题,节省人力物力。

6 结束语

计算机监控系统广泛应用于众多领域,接口的可靠性则关系到系统的生命。本文充分研究了各种常用接口的硬件性能和相关的软件特性,以及接口之间的硬件转换和软件转换,最后设计了一个远程测试模型,并在局域网上通过了测试,取得了良好的效果。通过因特网进行远程测试,可以节省大量的人力物力,不失为一种高效的测试手段。

参考文献
[1] 大漠电子?http://www.demo.com.cn/,2003
[2] 马玉春,赵跃华?高山无人站监控系统设计与开发?电脑开发与应用[J]?13(9):35, 2000
[3] 汪晓平,钟军等?Visual Basic网络高级编程[M],北京:人民邮电出版社,2001
[4] MSDN Library Archive?http://msdn.microsoft.com/archive/,2003
[5] 王建明,马玉春?智能设备的通用测试?工业控制计算机[J]?15(12):10, 2002(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (6/14/2005)
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