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计算机监控接口技术研究 |
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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)
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(6/14/2005) |
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