計(jì)算機(jī)監(jiān)控接口技術(shù)研究
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串行接口一般包括RS232/422/485，其技術(shù)簡(jiǎn)單成熟，性能可靠，價(jià)格低廉，所要求的軟硬件環(huán)境或條件都很低，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)及相關(guān)領(lǐng)域，遍及調(diào)制解調(diào)器、串行打印機(jī)、各種監(jiān)控模塊、PLC、攝像頭云臺(tái)、數(shù)控機(jī)床、單片機(jī)及相關(guān)智能設(shè)備，甚至路由器也不例外(通過串口設(shè)置參數(shù))。在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，主控機(jī)一般采用工控機(jī)，通過串口與監(jiān)控模塊相連，監(jiān)控模塊再連接相應(yīng)的傳感器和執(zhí)行器，如此形成一個(gè)簡(jiǎn)單的雙層結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)主要用于單獨(dú)的中小型企業(yè)或部門，如果屬于綜合型企業(yè)或部門，如電力系統(tǒng)監(jiān)控，高速公路監(jiān)控和收費(fèi)系統(tǒng)，則可以此為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)充，用集線器將眾多雙層監(jiān)控系統(tǒng)連接起來，再用交換機(jī)將若干集線器連接起來，統(tǒng)一接上路由器，從而跟Internet互聯(lián)(當(dāng)然，軟件結(jié)構(gòu)也得作調(diào)整)，如此即可形成一個(gè)龐大的計(jì)算機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。由此可見，串行接口和網(wǎng)口是計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中最基本、最實(shí)用，也是最有效的接口。
2 串行接口和網(wǎng)口的硬件特性
RS232接口是一種用于近距離(一般在15米之內(nèi)，最長(zhǎng)不超過30至60米)、慢速度、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊協(xié)議。雖然有9根線，但是，只要發(fā)送線TxD、接收線RxD、地線GND即可工作。在RS232中一個(gè)信號(hào)只用到一條信號(hào)線，采取與地電壓參考的方式，因而在長(zhǎng)距離傳輸后，發(fā)送端和接收端的對(duì)地電壓有出入，容易造成通訊出錯(cuò)或速度降低[1]。如果采用光電隔離的長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)器，也可使通訊距離延長(zhǎng)至2000米。RS232的最高速率一般可達(dá)到115200bit/s，通常默認(rèn)的工作參數(shù)為：9600bit/s，8位，無校驗(yàn)。
RS485/422接口采用不同的方式：每個(gè)信號(hào)都采用雙絞線(兩根信號(hào)線)傳送，兩條線間的電壓差用于表示數(shù)字信號(hào)。例如把雙絞線中的一根標(biāo)為A(正)，另一根標(biāo)為B(負(fù))，當(dāng)A為正電壓(通常為+5V)，B為負(fù)電壓時(shí)(通常為0)，表示信號(hào)“1”；反之，A為負(fù)電壓，B為正電壓時(shí)表示信號(hào)“0”。RS485/422允許通訊距離可達(dá)到1200米，采用合適的電路可達(dá)到2.5MB/s的傳輸速率。
RS422與RS485采用相同的通訊協(xié)議，但有所不同：RS422通常作為RS232通訊的擴(kuò)展，它采用兩根雙絞線，數(shù)據(jù)可以同時(shí)雙向傳遞(全雙工)。RS485則采用一根雙絞線，輸入輸出信號(hào)不能同時(shí)進(jìn)行(半雙工)。但是，RS485可用于多點(diǎn)通訊，一條信號(hào)線上可連接多臺(tái)設(shè)備。
網(wǎng)口一般使用RJ45 頭，采用8芯(4對(duì))雙絞線，只用其中2對(duì)，另外2對(duì)將來擴(kuò)展使用。8芯雙絞線的作用和顏色如表1所示（RJ45頭的金屬線向上，雙絞線靠近自己，從左到右即為1至8的順序）。
表1 雙絞線的功能和顏色 
3 串行接口和網(wǎng)口之間的硬件通訊連接與轉(zhuǎn)換
3.1 各對(duì)等接口之間的通訊連接方法
兩臺(tái)RS232設(shè)備之間的通訊連接，只要發(fā)送線與接收線交叉連接，地線直接連接即可。一般用于主控機(jī)(如工控機(jī))與受控機(jī)(CPU模塊)之間的連接。
RS422是對(duì)RS232的擴(kuò)展，RS232只能進(jìn)行半雙工通訊，而RS422可以進(jìn)行全雙工通訊，而且傳輸速率高，距離遠(yuǎn)。兩臺(tái)RS422設(shè)備之間的通訊連接，也只是發(fā)送線與接收線交叉連接。由于發(fā)送線和接收線各自有兩根，交叉后正極與正極相連，負(fù)極與負(fù)極相連。這種情況主要用于受控機(jī)離主控機(jī)距離較遠(yuǎn)，在主控機(jī)的RS232上掛接RS232/422轉(zhuǎn)換器，從而實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)RS422設(shè)備之間的連接。
RS485可以說是最簡(jiǎn)單高效的串口了，傳輸速率高，距離遠(yuǎn)，一條信號(hào)線上一般可以連接多達(dá)128臺(tái)設(shè)備，執(zhí)行器一般配備此接口。兩臺(tái)RS485設(shè)備之間的通訊連接，只要直連即可，即正極連接正極，負(fù)極連接負(fù)極。受控機(jī)一般配備標(biāo)準(zhǔn)的串口，即RS232，同時(shí)配備RS485，用于跟距離較遠(yuǎn)的多臺(tái)執(zhí)行器通訊，發(fā)送命令或查詢?cè)O(shè)備狀態(tài)。
為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，現(xiàn)在不少受控機(jī)(CPU模塊)已經(jīng)配備了網(wǎng)口(RJ45)。兩臺(tái)RJ45設(shè)備之間的連接，均按照表1接線，借助集線器即可。如果直接連接，即摒棄集線器，只要參考兩臺(tái)RS422設(shè)備之間的連接即可。
3.2 各接口之間的通訊轉(zhuǎn)換方法
各串口之間的轉(zhuǎn)換與串口與網(wǎng)口之間的轉(zhuǎn)換，現(xiàn)在都有成熟的產(chǎn)品。在串口轉(zhuǎn)換器中，僅用到COM端口的3根線：TxD，RxD，GND(它們分別是D型接口的3腳，2腳和5腳)，TxD為信號(hào)輸出線，RxD為信號(hào)輸入線，GND為地。
RS232/485轉(zhuǎn)換器：發(fā)送信號(hào)時(shí)，由TxD輸出的RS232信號(hào)經(jīng)發(fā)送器輸出，轉(zhuǎn)換為RS485信號(hào)；接收信號(hào)時(shí)，RS485信號(hào)經(jīng)接收器接收并轉(zhuǎn)換為RS232信號(hào)，傳給RxD。
RS232/422轉(zhuǎn)換器：因RS422信號(hào)的輸入和輸出分開，所以需要兩根雙絞線來傳送輸入和輸出信號(hào)。發(fā)送信號(hào)時(shí)，由TxD輸出的RS232信號(hào)經(jīng)發(fā)送器輸出，轉(zhuǎn)換為RS422信號(hào)；接收信號(hào)時(shí)，RS422信號(hào)經(jīng)接收器接收后傳給串口的RxD。
RS232/485/422轉(zhuǎn)換器按照供電方式來劃分，有無源和有源兩種。無源轉(zhuǎn)換器采用高效率的竊電和實(shí)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)，無須外接電源，因而，使用更加方便可靠，不必?fù)?dān)心轉(zhuǎn)換器的供電故障。
現(xiàn)有的硬件以太網(wǎng)串行網(wǎng)關(guān)可以直接提供將RS232/485/422串行接口接入工業(yè)以太網(wǎng)的連接，配置通訊參數(shù)，而且還提供一定的協(xié)議功能。但是，價(jià)格相對(duì)較貴。典型的綜合計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，一臺(tái)主控機(jī)可以帶多臺(tái)受控機(jī)，一個(gè)小型的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過因特網(wǎng)，可以組建一個(gè)綜合系統(tǒng)，不受地理?xiàng)l件的限制。
評(píng)論