計算機監(jiān)控接口技術研究
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串行接口一般包括RS232/422/485，其技術簡單成熟，性能可靠，價格低廉，所要求的軟硬件環(huán)境或條件都很低，廣泛應用于計算機及相關領域，遍及調制解調器、串行打印機、各種監(jiān)控模塊、PLC、攝像頭云臺、數(shù)控機床、單片機及相關智能設備，甚至路由器也不例外(通過串口設置參數(shù))。在計算機監(jiān)控系統(tǒng)中，主控機一般采用工控機，通過串口與監(jiān)控模塊相連，監(jiān)控模塊再連接相應的傳感器和執(zhí)行器，如此形成一個簡單的雙層結構的計算機監(jiān)控系統(tǒng)。這種結構主要用于單獨的中小型企業(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)控和收費系統(tǒng)，則可以此為基礎結構進行擴充，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)(當然，軟件結構也得作調整)，如此即可形成一個龐大的計算機監(jiān)控網(wǎng)絡。由此可見，串行接口和網(wǎng)口是計算機監(jiān)控系統(tǒng)中最基本、最實用，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，最長不超過30至60米)、慢速度、點對點的通訊協(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中一個信號只用到一條信號線，采取與地電壓參考的方式，因而在長距離傳輸后，發(fā)送端和接收端的對地電壓有出入，容易造成通訊出錯或速度降低[1]。如果采用光電隔離的長線驅動器，也可使通訊距離延長至2000米。RS232的最高速率一般可達到115200bit/s，通常默認的工作參數(shù)為：9600bit/s，8位，無校驗。
RS485/422接口采用不同的方式：每個信號都采用雙絞線(兩根信號線)傳送，兩條線間的電壓差用于表示數(shù)字信號。例如把雙絞線中的一根標為A(正)，另一根標為B(負)，當A為正電壓(通常為+5V)，B為負電壓時(通常為0)，表示信號“1”；反之，A為負電壓，B為正電壓時表示信號“0”。RS485/422允許通訊距離可達到1200米，采用合適的電路可達到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通訊的擴展，它采用兩根雙絞線，數(shù)據(jù)可以同時雙向傳遞(全雙工)。RS485則采用一根雙絞線，輸入輸出信號不能同時進行(半雙工)。但是，RS485可用于多點通訊，一條信號線上可連接多臺設備。
網(wǎng)口一般使用RJ45 頭，采用8芯(4對)雙絞線，只用其中2對，另外2對將來擴展使用。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換
3.1 各對等接口之間的通訊連接方法
兩臺RS232設備之間的通訊連接，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(如工控機)與受控機(CPU模塊)之間的連接。
RS422是對RS232的擴展，RS232只能進行半雙工通訊，而RS422可以進行全雙工通訊，而且傳輸速率高，距離遠。兩臺RS422設備之間的通訊連接，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，負極與負極相連。這種情況主要用于受控機離主控機距離較遠，在主控機的RS232上掛接RS232/422轉換器，從而實現(xiàn)兩臺RS422設備之間的連接。
RS485可以說是最簡單高效的串口了，傳輸速率高，距離遠，一條信號線上一般可以連接多達128臺設備，執(zhí)行器一般配備此接口。兩臺RS485設備之間的通訊連接，只要直連即可，即正極連接正極，負極連接負極。受控機一般配備標準的串口，即RS232，同時配備RS485，用于跟距離較遠的多臺執(zhí)行器通訊，發(fā)送命令或查詢設備狀態(tài)。
為了適應網(wǎng)絡化的發(fā)展，現(xiàn)在不少受控機(CPU模塊)已經(jīng)配備了網(wǎng)口(RJ45)。兩臺RJ45設備之間的連接，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RS422設備之間的連接即可。
3.2 各接口之間的通訊轉換方法
各串口之間的轉換與串口與網(wǎng)口之間的轉換，現(xiàn)在都有成熟的產(chǎn)品。在串口轉換器中，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為信號輸出線，RxD為信號輸入線，GND為地。
RS232/485轉換器：發(fā)送信號時，由TxD輸出的RS232信號經(jīng)發(fā)送器輸出，轉換為RS485信號；接收信號時，RS485信號經(jīng)接收器接收并轉換為RS232信號，傳給RxD。
RS232/422轉換器：因RS422信號的輸入和輸出分開，所以需要兩根雙絞線來傳送輸入和輸出信號。發(fā)送信號時，由TxD輸出的RS232信號經(jīng)發(fā)送器輸出，轉換為RS422信號；接收信號時，RS422信號經(jīng)接收器接收后傳給串口的RxD。
RS232/485/422轉換器按照供電方式來劃分，有無源和有源兩種。無源轉換器采用高效率的竊電和實時儲能技術，無須外接電源，因而，使用更加方便可靠，不必擔心轉換器的供電故障。
現(xiàn)有的硬件以太網(wǎng)串行網(wǎng)關可以直接提供將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，價格相對較貴。典型的綜合計算機監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結構如圖1所示。其中，一臺主控機可以帶多臺受控機，一個小型的計算機監(jiān)控系統(tǒng)通過因特網(wǎng)，可以組建一個綜合系統(tǒng)，不受地理條件的限制。
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