串口服务器的工作原理

一、串口服务器的定义及简介：

串口服务器是为RS-232/485/422到TCP/IP 之间完成数据转换的通讯接口转换器。提供RS-232/485/422终端串口与TCP/IP网络的数据双向透明传输，提供串口转网络功能，RS-232/485/422转网络的解决方案。可以让串口设备立即联接网络。

随着Internet的广泛普及，“让全部设备连接网络”已经成为全世界企业的共识。为了能跟上网络自动化的潮流，不至于失去竞争优势，必须建立高品位的数据采集、生产监控、即时成本管理的联网系统。利用基于TCP/IP的串口数据流传输的实现来控制管理的设备硬件，无需投资大量的人力、物力来进行管理、更换或者升级。

串口服务器就使得基于TCP/IP的串口数据流传输成为了可能，它能将多个串口设备连接并能将串口数据流进行选择和处理，把现有的RS 232接口的数据转化成IP端口的数据，然后进行IP化的管理，IP化的数据存取，这样就能将传统的串行数据送上流行的IP通道，而无需过早淘汰原有的设备，从而提高了现有设备的利用率，节约了投资，还可在既有的网络基础上简化布线复杂度。串口服务器完成的是一个面向连接的RS 232链路和面向无连接以太网之间的通信数据的存储控制，系统对各种数据进行处理，处理来自串口设备的串口数据流，并进行格式转换，使之成为可以在以太网中传播的数据帧；对来自以太网的数据帧进行判断，并转换成串行数据送达响应的串口设备。

二、串口服务器的特点：

内部集成 ARP，IP，TCP ,HTTP，ICMP，SOCK5，UDP，DNS等协议。RS-485/422转换提供数据自动控制。RS-232/422/485三合一串行接口 , 300-230.4KBPS波特率。支持动态IP（DHCP）和静态IP，支持网关和代理服务器，可以通过Internet传输数据。提供数据双向透明传输，用户不需要对原有系统做任何修改。所有串口内置600W防雷 。10/100M以太网、自动侦测直连或交叉线。可以同时支持多个连接。

三、串口服务器工作方式及通讯模式：

工作方式：

1.服务器方式：在该工作方式下，串口联网服务器作为TCP服务器端， 转换器在指定的TCP端口上监听平台程序的连接请求，该方式比较适合于一个转换器与多个平台程序建立连接（一个转换器不能同时与多个平台程序建立连接）。

2.客户端方式：在该工作方式下，串口联网服务器 作为 TCP 客户端，转换器上电时主动向平台程序请求连接，该方式比较适合于多个转换器同时向一个平台程序建立连接。

通讯模式：

1.点对点通讯模式：该模式下，转换器成对的使用，一个作为服务器端，一个作为客户端，两者之间建立连接，实现数据的双向透明传输。该模式适用于将两个串口设备之间的总线连接改造为 TCP/IP 网络连接。

2.使用虚拟串口通讯模式：该模式下，一个或者多个转换器与一台电脑建立连接，实现数据的双向透明传输。由电脑上的虚拟串口软件管理下面的转换器，可以实现一个虚拟串口对应多个转换器， N 个虚拟串口对应 M 个转换器（ N<=M ）。该模式适用于串口设备由电脑控制的 485 总线或者 232 设备连接。

3.基于网络通讯模式： 该模式下，电脑上的应用程序基于SOCKET 协议编写了通讯程序，在转换器设置上直接选择支持 SOCKET 协议即可。

四、串口服务器应用领域：

它主要应用在门禁系统、考勤系统、售饭系统、 POS 系统、楼宇自控系统、自助银行系统电信机房监控，电力监控等。

五、硬件系统及其模块：

1.硬件系统

硬件系统是实现整个系统功能的基础，是整个设计实现的关键。

整个串口服务器的关键在于串口数据包与TCP/IP数据报之间的转换以及双方数据因为速率不同而存在的速率匹配问题，在对串口服务器的实现过程中，也必须着重考虑所做的设计和所选择的器件是否能够完成这些功能。

（1）硬件系统组成模块

在制定设计方案和选定器件时遇到的技术难点是如何利用处理器对串口数据信息进行TCP/IP协议处理，使之变成可以在互联网上传输的IP数据包。目前解决这个问题很多时候采用32位MCU + RTOS方案，这种方案是采用32位高档单片机，在RTOS（实时多任务操作系统）的平台上进行软件开发，在嵌入式系统中实现TCP/IP的协议处理。它的缺点是：单片机价格较高，开发周期较长；需要购买昂贵的RTOS开发软件，对开发人员的开发能力要求较高。

借鉴上述方案的优缺点，我们决定把串口服务器的硬件部分分为几个模块设计，这就是主处理模块、串口数据处理模块和以太网接口及控制模块等几大模块来共同完成串口服务器的功能。

在器件的选择上，选用Intel公司的801086芯片作为主处理模块的处理器芯片，它是一种非常适合于嵌入式应用的高性能、高集成度的16位微处理器，功耗低。由于考虑到串口数据速率较低而以太网的数据传输速率高所造成的两边速率不匹配的问题，我们决定采用符合总线规范的大容量存储器来作为数据存储器；由于主处理模块还涉及到数据线/地址线复用、串并转换、器件中断信号译码、时钟信号生成、控制信号接入等功能，若是选用不同的器件来完成，势必会造成许多诸如时延不均等问题，我们选用了一片大容量的高性能可编程逻辑器件来完成上述所提到的功能，这样的优点在于，我们保证了稳定性和高可靠性，并且可编程逻辑器件的可编程功能使得对于信号的处理的空间更大，且具有升级的优势。

以太网接口及控制模块在串口服务器的硬件里面起着很重要的作用，它所处理的是来自于以太网的IP数据包，考虑到通用性的原则，我们采用一片以太网控制芯片来完成这些功能，并在主处理模块中添加了一片AT24C01来存储以太网控制芯片状态。通过主处理模块对于以太网控制芯片数据及寄存器的读/写，我们可以完成对IP数据包的分析、解/压包的工作。

串口数据处理模块主要完成的是对于串口数据流的电平转换和数据格式的处理，判断串行数据的起始位及停止位，完成对数据和校验位的提取。一般的设计采用的是MAX232和一片UART的设计思想，这里我们也是遵从这种设计理念，不过我们采用的是集成了MAX232+UART功能的芯片，小尺寸、低成本、低功耗，而且采用与SPITM/QS-PITM/MICROWIRETM兼容的串行接口，节省线路板尺寸与微控制器的I/O端口。

这种模块化的方案的优点在于：采用高速度的16位微控制器，外围器件少，系统成本低；并且采用Intel公司的开发平台，可以大幅度地缩短开发周期并降低开发成本。

（2）硬件工作流程及应用架构

主处理器首先初始化网络及串口设备，当有数据从以太网传过来，处理器对数据报进行分析，如果是ARP（物理地址解析）数据包，则程序转入ARP处理程序；如果是IP数据包且传输层使用UDP，端口正确，则认为数据报正确，数据解包后，将数据部分通过端口所对应的串口输出。反之，如果从串口收到数据，则将数据按照UDP格式打包，送入以太网控制芯片，由其将数据输出到以太网中。可以知道，主处理模块主要处理TCP/IP的网络层和传输层，链路层部分由以太网控制芯片完成。应用层交付软件系统来处理，用户可以根据需求对收到的数据进行处理。

2.硬件系统模块

根据硬件系统的具体结构和不同功能，我们可以将硬件系统划分为下述的几大模块。

（1）主处理器模块

该模块是串口服务器的核心部分，主要由主处理器、可编程逻辑器件、数据及程序存储器等器件构成。

主处理模块完成的功能主要有：在串口数据和以太网IP数据之间建立数据链路；通过对以太网控制芯片的控制读写来实现对IP数据包的接收与发送；判别串行数据流的格式，完成对串口设备的选择以及对串行数据流格式的指定；控制串口数据流与IP数据包之间的速率控制，对数据进行缓冲处理；对UART和以太网控制芯片的寄存器进行读写操作，并存储转发器件状态；完成16位总线数据的串并行转换；完成总线地址锁存功能；完成对各个串口以及各个存储器件的片选功能；完成对各个串口的中断口的状态判别等功能。

（2）以太网接口及控制模块

这个模块主要由以太网接口部分和以太网控制部分构成。

以太网接口部分完成的是串口服务器与以太网接口电路的功能，控制器对所有模块均有控制作用，使整个接口电路能协调地配合后续电路完成以太网的收发功能。

以太网控制部分由收端和发端组成，在他们之间还有以太网状态检测和控制单元，以及收发协调控制器，见图5。由于以太网是半双工工作的，所以这个部分必须随时地监视以太网的状态，并且要根据需要对以太网进行控制，同时还要协调好内部收发端电路的工作状态。以太网检测单元和收发协调控制器就是完成这样的功能的。以太网状态检测单元与以太网接口的控制器接口，将接口的状态送到收发协调控制器，同时将协调控制器的控制信号进行处理，并送到以太网接口的控制器，以控制接口的状态。

在收端，接收到的串行数据流信号通过主处理模块进行串并转换和编码，以太网控制单元控制各部分协调，将产生的地址、数据、写信号送到RAM读写控制单元进行处理。相应的，发端的工作流程和收端相反。

串串口服务器模块的参数包括本地IP地址、工作模式、串口波特率等，具体可以参考串口服务器模块参数简介。

3.串口服务器模块参数配置方法

卓岚串口服务器内嵌模块可以通过3种方式配置参数。分别是网页法、windows工具法、串口类AT命令法。这里是指用户使用卓岚的现有的工具来配置参数。关于开发用户自己的模块搜索、参数配置工具请看下一章节。

3.1 网页法

串口服务器核心模块内部运行了一个小型的Web服务器可以用于参数的配置，使用过路由器配置的用户对此方法一定不陌生。首先在浏览器的地址栏中输入串口服务器模块的当前IP地址，默认出厂IP为192.168.1.200。此时打开的页面即是串口服务器模块上的登录页面，输入登录密码（默认为123456）点击Login，进入参数配置页面。如图所示。修改相应参数后点击“Sbumit”按钮即可提交参数。

网页法配置参数的优点是：简单易用，无需安装任何配置工具，使用浏览器即可进行配置。缺点是：串口服务器模块的IP地址必须是和本机计算机处于同一个网段，否则无法访问网页。另外某些高级参数需要通过windows工具法进行配置。

3.2 Windows工具法

Windows工具法是推荐的参数配置方法。即在用户Windows计算机上运行卓岚ZLVircom软件或ZLDevManager，只要点击搜索即可搜索局域网内的所有串口服务器模块。其中ZLDevManager是一个简易工具，直接拷贝无需安装。对搜索列表中的模块选中后，点击“设备编辑”按钮或者双击列表中此行，即可弹出参数配置对话框，修改相应参数后点击“修改参数”按钮即可。如图所示。

windows工具法配置参数的优点是：1. 不要求串口服务器模块和计算机在同一个网段。2. 一次搜索多个模块，通过名字管理，无需记忆IP地址。3.可以配置高级参数。

windows工具法配置参数实际上是通过“卓岚管理端口协议”进行设备的搜索和参数配置。有两种方法可以将该设备搜索和参数修改功能直接集成到用户软件里：卓岚设备管理函数库DLL、卓岚管理端口协议。前者是一个可供用户调用的DLL库，后者是将管理端口协议的详细内容告诉用户，并由用户自己实现。该项内容属于增值服务。

3.3 串口类AT命令法

以上两种方法都是通过串口服务器模块的网口来配置参数。在某些时候，用户不仅需要通过网口来配置而且希望本地配置，即无需通过另外一台计算机来配置，而是直接通过设备本身来配置自己的参数。例如对于需要现场配置IP地址、现场配置目的IP地址的情况。卓岚的串口类AT命令法很好地满足了该要求。当用户MCU和串口服务器模块通过TTL（UART）串口连接后，用户MCU可以随时发送串口命令来配置参数。该命令类似AT指令，具体的指令格式请参考卓岚相关文档。

卓岚串口类AT命令能够实现的功能，包括但是不限于：

1.读取ZLSN2002/ZLSN2000的当前TCP连接状态，这样就知道模块是否和远端计算机建立了TCP连接。

2.随意控制ZLSN2002模块向任意的目的IP发起TCP连接，在多个目标之间随意切换，在多种工作模式中随意切换。

3.读取串口服务器模块的本地IP。如果是通过DHCP获得IP也能够读取。

4.重新启动串口服务器模块。

使用卓岚串口类AT命令可以完全控制串口服务器模块的TCP运行状态，也就是可以通过AT命令实现socket的connet、listen、send、recv等的函数调用。可以把ZLSN2002看成是“硬件TCP/IP协议栈”，因为ZLSN2002内部完全集成了socket函数的全部功能，而且可以通过串口AT命令的方式进行调用，相对于软件的socket接口来说，“硬件TCP/IP协议栈”不需要用户MCU运行协议栈、也可以保证协议栈的稳定性。卓岚提供有通过串口类AT命令实现让ZLSN串口服务器模块连接、监听、发送、接收的源代码，可方便用户参考。

4.参数配置方法的二次开发

如果用户需要将参数配置、设备搜索集成到到用户自己的软件中可以采用卓岚提供的设备管理函数库、管理端口协议方法。有的时候用户可能需要将IP的配置、波特率的配置集成到用户的管理软件中，而不是用卓岚的zlvircom进行配置，这增加了软件的统一性。以下就介绍这种方法。

4.1 设备管理函数

ZLAN可以提供一个供用户二次开发的动态连接库（DLL），这个动态连接库提供了简单的类似SearchDev()、 GetDevParam()、 SetDevParam()等函数来实现设备的搜索、参数获取、参数设置。使用起来非常方便，并提供有调用此DLL的C代码例子程序。这个函数库目前已经可以下载使用，参考《二次开发函数库的使用》。

4.2 管理端口协议

有的时候用户可能不想让自己的程序带有DLL库，此时更加灵活的控制方法是向ZLAN获取“管理端口协议”，这个协议是卓岚用户搜索模块、获取模块参数、设置模块参数的协议。用户完全可以在读懂协议的基础上自己实现这个协议。

设备管理函数库、ZLDevManage、ZLVircom的设备管理功能也是基于这个协议实现的。用户可以在读懂这个协议的基础上将ZLDevManage、ZLVircom的设备管理功能集成到用户自己的软件中。“管理端口协议”通过网口来配置模块，至少可以实现：

1.设备的搜索：搜索局域网、外网的所有的卓岚串口服务器模块。

2.读取设备参数：读取不同的设备的参数、设备ID、设备运行状态等。

3.重启指定的串口服务器模块。

4.修改指定的串口服务器模块的任何一个参数。

串口服务器 ，也被成为串口到以太网转换器、串口设备服务器。它是终端服务器通过TCP/IP服务器的串口进行数据传输，然而所有这些名称都是相同类型的设备，基本是将串行的RS232、RS485或RS422接口链接到串口服务器的串口端，传输数据到以太网数据包，同时可以将数据包再传回至RS232、RS485或RS422串口端，实现数据双向透传。串口服务器具有自己的实际IP地址，这就是为什么它有时被称为服务器的原因。

原理： 计算机串口(COM端口)和以太网局域网(LAN)之间传输数据的设备。这使得可以使用以太网代替串行电缆，最大限度地减少工作站的混乱，并允许将串行设备放置在距离计算机较远的位置。

作用： 串口服务器可实现串口(RS232/485/422)到以太网口的数据的双向透明传输。串口服务器内部模块自行完成协议转换。串口侧是串口电平数据，以太网口侧是网络数据包，通过简单设置即可实现联网功能。

串口服务器在实际使用过程中，是将TCP/IP协议的以太网接口映射到计算机的标准串口上，类似对普通串口一样进行收发数据。也就是说通常计算机上有1个硬盘，通过串口服务器可并联出多个硬盘。比如一般极端及上有COM1和COM2两个端口，通过串口服务器可以将其映射出COM3、COM4、COM5等多个端口来。

有人科技提供相关的串口服务器使用方法，请点击：

串口服务器的连接方法 ：https://www.usr.cn/News/720.html

串口服务器的使用方法 ：https://www.usr.cn/News/1305.html

串口服务器的参数设置 ：https://www.usr.cn/News/1465.html

串口服务器如何与组态王连接 ：https://www.usr.cn/Down/Software/M4-1.pdf

串口服务器的应用领域比较广泛，通常与工业路由器或工业交换机搭配使用。例如无人值守称重、远程考勤、门禁道闸等。

电气火灾报警应用： 串口服务器与电气火灾报警器的RS232/485串口进行联网通讯，将报警信息快速传输至云平台，提醒工作人员排除火情。

智慧厂矿照明： 传统的厂矿照明设施多是“人管灯”，无法做到与生产、监控联动，造成能源浪费。串口服务器与串口照明设备联网通信，方便照明控制，还能实现设备故障主动上报等功能。

自来水厂供水监控： 目前，自来水厂的供水系统仍是基于串口的组网通讯，只适合单机操作且传输距离有限，系统维护困难。串口服务器可提供通过TCP Server模式实时监控水厂设备工作详情。

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