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串口(RS232/RS485)转以太网口关键技术说明

1.概述
  串口转以太网目前可以采用串口转以太网模块来实现,变得非常简单易用,但是在该技术中出现的一些新问题、使用误区需要引起注意。串口转以太网并不是简单传输媒介的变化,而是串口到TCP/IP的协议转化。其中关系到的关键技术包括:TCP/IP的工作模式问题、串口分帧技术。这里详细分析这些串口转网口的技术。


2.澄清一个概念:到底是串口转以太网还是串口转TCP/IP?
  串口一般来说就是UART,它实际只定义了数据链路层的规范,也就是起始位、数据位、停止位。但是在不同的物理层又分为:TTL串口、RS232串口、RS485串口等。

  TTL串口:它是MCU芯片之间进行数据通信的串口,它以+5V(或者+3.3V)表示1,以GND表示0。 RS232串口:它是实现设备之间通信的串口,其主要将信号电压从0~5V的电压变为±15V(实际一般为±12V)。电压的增加,增大了数据传输的距离和可靠性。

  RS485串口:它是实现远距离通信的串口,可以实现上千米的数据传输。其主要特征是用差模信号(A、B两根线之间的电压)代替了RS232共模信号(信号线和GND之间的电压),从而能够抵抗共模干扰,实现更远距离的传。

  如果按照ISO的7层模型(物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层)来分的话,串口实际上只包含了物理层、数据链路层。而TCP/IP协议应该属于网络层和传输层。所以串口转TCP/IP并不准确。以太网属于物理层和数据链路层,所以串口转以太网更加准确。

  由于目前在以太网之上运行的协议多半是TCP IP协议,所以串口转以太网也可以说成是串口转TCP IP。

      串口转网口,网口转串口其实是说的同一个东西,因为这类产品都是可以实现双向互转的。

3.串口转网口关键技术一:TCP/IP的工作模式问题

  串口转以太网,并不是简单物理层和数据链路层的转化。由于串口协议本身不具有网络层和传输层,串口转以太网,实际是将串口的数据作为TCP/IP的应用层数据,用TCP/IP封装传输的方式。TCP/IP的应用层数据是TCP/IP所要传送的真正有效的数据。例如用户通过socket的recv()和send()函数接收和发送的实际是应用层数据。这样通过串口转TCP IP用户就可以用recv()和send()函数收发串口数据了。
  但是TCP/IP并不只是recv()和send()这么简单,根据工作模式的不同,它关系到连接、关闭、监听等,这是串口转网口后需要增加处理的部分。TCP IP的工作模式可以分为:TCP服务端模式(TCP Server)、TCP客户端模式(TCP Client)、UDP模式。

  UDP模式:UDP模式是基于非连接的模式,只要有数据发送即可发送,不需要事先连接。所以这种模式更加地接近于串口的通信方式。但是UDP协议无法保证数据不丢失,容易产生误码。

  TCP模式:TCP模式采用数据可靠传输机制,所以可以保证数据基本不误码、不丢失。在TCP通信中,必然是由通信的两端构成,其中一方是TCP客户端,一方是TCP服务端。TCP客户端和TCP服务端的概念可以用电话来类比。TCP客户端是打电话的人,而TCP服务端是接电话的人。

4.如何选择TCP/IP的工作模式?

TCP与UDP的选择:尽量选择TCP模式,特别是经过internet的大数据量传输,udp容易误码和丢失。
 
选择TCP客户端还是TCP服务器端:请遵循以下原则:
  原则一:发起数据发送的一方应该选择为客户端。例如一个数据采集系统,采集终端应该为客户端。这是因为当TCP连接断开的情况下,客户端能够在需要发送数据的时候主动建立连接。而TCP服务端,只能够被动地接受连接,使得数据无法发送出去。

  原则二:IP或者域名固定的一方为服务器端。例如在有多个数据采集终端,而只有一个中心服务器的情况下,中心服务器应该为服务端。这是因为,中心服务器的IP或域名一般是固定的,而采集终端的IP是不断增加和变化的。中心服务器难以记住所有的采集终端的IP,所以也难以发起连接;而采集终端寻找中央服务器就比较容易。
 
5.串口转网口关键技术二:串口分帧技术

  串口数据是可以连续不断发送的,而以太网数据则是以数据包为单位发送的。这样就关系到将多长的串口数据打包后作为一个以太网数据包发送的问题。

  数据包长度:以太网数据包最长1500多字节,所以在串口转网口转发器收到1500字节后必须将其打包发送。用户可以设定这个数据包长度上限。

  数据包间隔:除了数据包长度作为串口分帧的规则外,一个更为符合逻辑的方法是通过数据包间隔。当串口转TCP IP转发器发现的串口数据流中出现了T毫秒的空闲时间时,则认为之前收到的串口数据可以作为一个以太网数据包发送了。这里的T就是用户设定的数据包间隔。

      有人科技经过大量的应用实践,采用了非常灵活的分包方式:1、网络收到数据实时转发给串口,2串口收到数据后做条件判断,以下两个条件达到其一及转发,收到的串口数据总数达到200字节,或者串口空闲当前波特率下发送两个字节所需要的时间。其中200字节是经验值,既不会拖慢速度,也不会造成丢包,根据波特率来计算空闲时间比固定定义多少ms更加精准的控制打包时间,提升响应速度。

6. 虚拟串口的使用

在网络没有大量普及之前,大多数需要通讯的产品都是采用RS232接口,对应的上位机也是通过串口编程,如今需要通过以太网转串口进行升级时,就可以采用虚拟串口技术来实现,无需更新原来的应用程序即可使用。请参考 应用笔记二:利用串口服务器延长串口



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