计算机监控接口技术研究挖机

计算机监控接口技术研究

计算机监控接口技术研究 2011年12月04日 来源： 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://>

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