计算机监控接口技术研究

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。