Der Seriell Ethernet Konverter dient als Datenumwandlungsschnittstellenkonverter für die Kommunikation zwischen RS-232/485/422 und TCP/IP. Er bietet einen RS-232/485/422-Seriellport und eine TCP/IP-Netzwerk-Terminal für transparente bidirektionale Datenübertragung, liefert Serien-zu-Netzwerk-Funktionen und RS232/485/422-Netzwerkübertragungslösungen. Damit können Seriengeräte nun an das Netzwerk anschließen.
Mit der allgemeine Verbreitung des Internets ist es zu einem Konsens der weltweiten Unternehmen geworden, "alle Geräte an das Netzwerk anzuschließen". Um dem Trend der Netzwerkautomatisierung zu folgen und den Wettbewerbsvorteil nicht zu verlieren, müssen wir hochwertige Datenerfassung, Produktionsüberwachung und Echtzeitkostenmanagement von vernetzten Systemen aufbauen. Die Verwendung basierend auf die Steuerung und Verwaltung von Hardwaregeräten von TCP/IP-Seriendatenströmen ermöglicht die Verwaltung, Ersatz oder Aktualisierung, ohne dass große menschliche und materielle Ressourcen investiert werden müssen.
Der Seriell Ethernet Konverter ermöglicht so weit wie möglich TCP/IP-basierte Seriendatenströmen. Er verbindet mehrere Seriengeräte und selektiert und verarbeitet Seriendatenströmen, die die bestehende RS-232-Schnittstelle in IP-Port-Daten umwandelt. Anschließend erfolgt eine IP-basierte Verwaltung und IP-basierte Datenzugriff, sodass Sie die traditionell beliebte IP-Seriendatenkanal senden können, ohne die ursprüngliche Ausrüstung vorzeitig auszuschalten. Dadurch steigt die Nutzungsrate der bestehenden Ausrüstung, Einvestitionen werden eingespart, und die Komplexität der Verkabelung auf der bestehenden Netzwerkinfrastruktur wird vereinfacht. Der Seriell Ethernet Konverter vervollständigt eine verbindungsorientierte RS232-Verbindung und eine verbindungslose Ethernet-Kommunikation für die Datenspeicherung und Kontrolle von verschiedenen Datenverarbeitungssysteme. Er verarbeitet Seriendatenströmen von Seriengeräten und führt Formatumwandlungen durch, sodass die Datenrahmen in Ethernet übertragen werden können; Daten aus dem Ethernet-Rahmen werden beurteilt und in Seriendaten umwandelt, die an Seriengeräte zurückgesendet werden.
Intern integriert ARP, IP, TCP, HTTPS, ICMP, SOCK5, UDP, DNS und andere Protokolle. RS-485/422 bietet automatische Datenumwandlungskontrolle. RS232/422/485-Serienschnittstelle dreifach, 300-230.4 KBPS-Baudrate. Unterstützung für dynamische IP (DHCP) und statische IP, Gateway- und Proxyserver-Unterstützung, Daten können über das Internet übertragen werden. Bietet transparente bidirektionale Datenübertragung, Benutzer müssen keine Änderungen am ursprünglichen System vornehmen. Alle Seriellports sind mit 600W-Blitzschutz ausgestattet. 10/100M-Ethernet, automatisch erkennt Straight-Through- oder Crossover-Kabel. Kann mehrere Verbindungen unterstützen.
Arbeitsweise:
3.1 Servermodus: In diesem Betriebsmodus fungiert der Seriell Ethernet Konverter als TCP-Server. Das Konverterplattformprogramm lauscht auf Verbindungsanforderungen auf dem angegebenen TCP-Port. Dieser Ansatz ist besser geeignet, wenn ein Konverterprogramm eine Verbindung mit mehreren Plattformen aufbauen soll (ein Konverter kann keine Verbindung mit mehreren Plattformprogrammen aufbauen).
3.2 Clientmodus: In diesem Betriebsmodus fungiert der Seriell Ethernet Konverter als TCP-Client. Das Konverterinitiativprogramm beantragt eine Verbindung zum Internet beim Einschalten. Dieser Ansatz ist besser geeignet, wenn mehrere Konverter gleichzeitig eine Verbindung zu einem Plattformprogramm aufbauen sollen.
Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsmodus: In diesem Modus werden die Konverter paarweise verwendet, einer als Server, einer als Client, um eine Verbindung zwischen beiden zu etablieren und bidirektionale transparente Datenübertragung zu ermöglichen. Dieser Modus ist geeignet für die Busverbindung zwischen zwei zu TCP/IP-Netzwerkverbindung umgewandelten Seriengeräte.
Virtuelle Serienkommunikationsmodus: In diesem Modus werden ein oder mehrere Konverter mit einem Computer verbunden, um bidirektionale transparente Datenübertragung zu ermöglichen. Durch die Verwaltung des nachfolgenden Konverters auf Ihrem Computer durch die virtuelle Serienportsoftware können Sie einen virtuellen Serienport für mehrere Konverter erreichen, N entspricht dem M virtuellen Serienkonverter (N <= M). Dieser Modus ist geeignet für von Computer gesteuerte Seriengeräte, 485- oder 232-Geräte.
Web-basierte Kommunikationsmodus: In diesem Modus kann die Anwendung auf dem PC einen direkt unterstützenden SOCKET-Protokoll basierend Kommunikationsprogramm schreiben, die in die Konvertereinstellungen ausgewählt werden können.
In der Sphäre des Industrial Internet of Things (IIoT) sind Serienserver als unverzichtbare Komponenten aufgetreten, die eine nahtlose Integration und Kommunikation zwischen älteren Seriengeräte und moderne Netzwerkinfrastruktur ermöglichen. Für diejenigen, die sich auf Netzwerkanwendungen einlassen, ist es entscheidend, die Vielseitigkeit und Bedeutung von Serienservern zu verstehen, um eine robuste und effiziente Systemintegration zu erreichen.
Serial Server dienen als eine wichtige Brücke zwischen traditionelle serielle Geräte (RS-232, RS-422, RS-485, etc.) und moderne Ethernet-Netzwerke. Dadurch werden Geräte, die zuvor isoliert waren oder auf Punkt-zu-Punkt-Verbindungen beschränkt waren, in umfangreichere Netzwerkökosysteme integriert. Durch die Umwandlung von seriellen Daten in IP-basierte Pakete erleichtern Serial Server den Fernzugriff, die zentrale Verwaltung und die Echtzeitüberwachung dieser Geräte über lange Strecken.
In Szenarien der industrielle Automatisierung optimieren Serial Server den Datenfluss zwischen Sensoren, Aktuatoren, SPS (Programmable Logic Controllers) und anderen industrielle Steuergeräte. Sie ermöglichen die Fernüberwachung und Fernsteuerung von Maschinen, optimieren Produktionsprozesse und erhöhen die Betriebseffizienz. Zum Beispiel können durch die Verbindung von seriellen Sensoren mit einem Serial Server Produktionsliniendaten drahtlos an ein Überwachungs- und Datenerfassungssystem (SCADA) übertragen werden, so dass Betreiber Leistungskenngrößen verfolgen, Abweichungen erkennen und umgehend Korrekturmaßnahmen auslösen können.
Im Kontext von intelligenten Gebäuden spielen Serial Server eine zentrale Rolle in der Integration von unterschiedlichen Systemen wie Lichtsteuerungen, HVAC-Systeme (Heizung, Lüftung und Klimatisierung), Sicherheitskameras und Zugangskontrollpanels. Durch die Umwandlung von seriellen Signale von diesen Geräte in IP-basierte Kommunikation erleichtern Serial Server die zentrale Überwachung und Verwaltung von Gebäudesysteme von einer einzigen Plattform aus. Dadurch werden die Energieeffizienz, die Bewohnerkomfort und die allgemeine Sicherheit erhöht, während Wartungskosten reduziert und die Reaktionszeiten in Notfällen verbessert werden.
Für Fernüberwachungsanwendungen ermöglichen Serial Server den Echtzeitzugriff auf Daten von entfernten Standorten oder schwer zugänglichen Orten. In Transportsysteme können zum Beispiel Serial Server Verkehrszeichen, Mautstationen und Überwachungskameras mit einer zentralen Kommandozentrale verbinden, was die zentrale Überwachung und Steuerung des Verkehrsflusses ermöglicht. Ähnlich können in Versorgungnetze Serial Server die Fernüberwachung von Unterstationen, Transformatoren und andere kritische Infrastruktur erleichtern, was eine schnelle Reaktion auf Störungen ermöglicht und die Energieverteilung optimiert.
In der Gesundheitssektor sind Serial Server unverzichtbar für die Integration von medizinischen Geräte in Krankenhausinformationssysteme (HIS) und elektronische Gesundheitsakten (EHR). Durch die Verbindung von seriellen medizinischen Geräte wie EKG-Geräte, Blutdruckmonitore und Laboranalysatoren mit Serial Server können Patientendaten sicher und zuverlässig an zentrale Datenbanken übertragen werden, um sie zu analysieren, zu speichern und zwischen Gesundheitsdienstleistern zu teilen. Dadurch wird die Patientenversorgung verbessert, die Entscheidungsfindungskapazitäten erhöht und die Einhaltung von Vorschriften unterstützt.
Fernüberwachung und Fernsteuerung sowie die Integration von medizinischen Geräte in Gesundheitsinformationssysteme. Für diejenigen, die sich auf Netzwerkanwendungen einlassen, ist es schlüsselhaft, die Fähigkeiten von Serial Server zu verstehen und zu nutzen, um robuste, skalierbare und effiziente Systemintegrationen zu erreichen.
Andere Anwendungen umfassen Zeiterfassungssysteme, Shoufan-Systeme, Kassensysteme (POS), Gebäudeautomationssysteme, Selbstbedienungssysteme in Banken, die Überwachung von Telekommunikationsräume und Stromüberwachung.
Das Hardware-System ist die Grundlage für die Gesamtfunktionalität des Systems und der Schlüssel für die Umsetzung des gesamten Designs. Der Kernpunkt des gesamten Seriell Ethernet Konverters liegt in der Umwandlung von seriellen Datenpakete und TCP/IP-Datenpakete zwischen beiden Seiten sowie in der Lösung des Problems der Geschwindigkeitsangleichung aufgrund unterschiedlicher Datenraten. Die Umsetzung des Serial-to-Ethernet-Servers muss daher auch wichtige Überlegungen hinsichtlich der Design und der Funktionsfähigkeit des ausgewählten Geräts umfassen.
(1) Hardware-System-Module
Die technische Herausforderung in der Entwicklung des Designs und dem ausgewählten Gerät bestand darin, wie die Prozessor-serielle Dateninformationen mittels TCP/IP-Protokoll zu verarbeiten und damit die Übertragung von IP-Pakete über das Internet möglich zu machen. Aktuell wird dieses Problem häufig mit einem 32-Bit-MCU + RTOS-Programm gelöst. Dieses Programm nutzt die Softwareentwicklung für 32 hochwertige Mikrocontroller auf einer RTOS (Real Time Operating System) Plattform, um TCP/IP-Protokoll in eingebettete Systeme zu verarbeiten. Der Nachteil ist: höhere Preise für SCMs, längere Entwicklungszeiten; RTOS-Entwickler müssen teure Softwareentwicklungstools kaufen, die hohen Anforderungen an die Entwickler stellen.
Nachdem wir die Vor- und Nachteile des oben genannten Programms kennengelernt hatten, beschlossen wir, die Server-Hardware-Design in mehrere Module zu aufteilen, nämlich Hauptverarbeitungsmodul, serielle Datenverarbeitungsmodul und Ethernet-Schnittstelle und Steuerungsmodul, um die Funktionalität des Seriell Ethernet Konverters zu vervollständigen.
Bei der Wahl des Geräts entschieden wir uns für Intels 80186-Chip als Hauptverarbeitungsmodul-Chip, ein sehr geeignetes 16-Bit-Mikroprozessor für leistungsfähige eingebettete Anwendungen, hoch integriert und energieeffizient.
Angesichts des Problems der Geschwindigkeitsangleichung zwischen niedrigere serielle Datenraten und der Ethernet-Datenübertragungsrate entschlossen wir uns, eine Speicherbus-Spezifikation mit großem Kapazität als Datenspeicher zu nutzen; das Hauptverarbeitungsmodul auch betrifft eine Datenleitung/Adressleitungen-multiplexierte Serie-zu-Parallel-Konvertierung, eine Unterbrechungssignal-Dekodierungseinheit, die Erzeugung von Taktsignalen, Signalzugriffssteuerung und andere Funktionen. Wenn verschiedene Geräte für die Vervollständigung verwendet werden, wird dies unvermeidlich zu vielen Problemen wie Verzögerungsungleichheit führen. Wir nutzten ein großes, leistungsfähiges programmierbares Logikgerät, um die oben genannte Funktionen zu vervollständigen. Der Vorteil ist, dass wir die Stabilität und Zuverlässigkeit von programmierbaren Logikgeräte garantieren und die programmierbare Eigenschaft ermöglicht die Verarbeitung von Signale in einem größeren Raum und hat den Vorteil der Aktualisierung.
Die Ethernet-Schnittstelle und Steuerungsmodul spielt eine sehr wichtige Rolle in der Seriell Ethernet Konverter-Hardware. Sie verarbeitet die IP-Pakete von Ethernet. Unter Berücksichtigung der Grundsätze der Universalität nutzten wir einen Ethernet-Controller-Chip, um diese Funktionen zu vervollständigen, und eine AT24C01 hinzufügen, um den Status des Ethernet-Controller-Chips in das Hauptverarbeitungsmodul zu speichern. Durch das Hauptverarbeitungsmodul für die Ethernet-Controller-Chip-Daten und Register-Lese-/Schreiboperationen können wir die IP-Paketanalyse, Arbeitslösung/Komprimierungspaket vervollständigen.
Das serielle Datenverarbeitungsmodul vervollständigt die Konvertierung von seriellen Datenformat und Datenstromverarbeitung, die Bestimmung von Startbit-serielle Daten und Stopbits, die vollständige Extraktion von Daten und Paritätsbits. Allgemeine Designs nutzten einen UART MAX232 und Designideen, wobei wir auch diesem Designkonzept folgen, aber wir nutzen die integrierte MAX232 + UART-Chip-Funktionalität, klein, kostengünstig, energieeffizient und die Verwendung von und SPITM/QS-PITM/MICROWIRETM-kompatible serielle Schnittstelle, sparend Platzbedarf auf der Platine und Mikrocontroller-I/O-Ports.
Der Vorteil dieses modularen Ansatzes ist: die Verwendung von schnellen 16-Bit-Mikrocontroller und Peripheriegeräte, niedrige Systemkosten; und die Verwendung von Intels Entwicklungsplattform, kann die Entwicklungszeit stark verkürzen und die Entwicklungskosten reduzieren.
(2) Hardware-Workflow und Anwendungsarchitektur
Zunächst initialisiert der Hauptprozessor das Netzwerk und die serielle Geräte. Wenn Daten über das Ethernet übertragen und von einem Paketprozessor analysiert werden, und falls es sich um ARP (Address Resolution Protocol)-Pakete handelt, wird das Programm an den ARP-Handler weitergeleitet. Wenn es sich um IP-Datapakete handelt und die Transportschicht UDP verwendet, und der Port korrekt ist, ist das Datenpaket korrekt, und das Datenteil wird durch den entsprechenden seriellen Ausgangsport ausgepackt.
Umgekehrt, wenn Daten vom seriellen Port empfangen werden, werden sie gemäß dem UDP-Format verpackt und an den Ethernet-Controllerchip übergeben, der die Daten anschließend über das Ethernet ausgibt. Wie bekannt ist, verarbeitet das Hauptverarbeitungsmodul die TCP/IP-Netzwerkschicht und die Transportschicht, während die Linkschicht teilweise von dem Ethernet-Controllerchip abwickelt wird. Das Anwendungsschicht-Liefersystem zur Softwarebearbeitung ermöglicht es Benutzern, die empfangene Daten nach Bedarf zu verarbeiten.
Je nach der Struktur des Hardware-Systems und unterschiedliche Funktionen können wir ein Hardware-System in die folgenden mehrere Module unterteilen.
(1) Hauptprozessormodul
Dieses Modul ist der Kernteil des seriellen Ports des Servers und besteht hauptsächlich aus dem Hauptprozessor, programmierbare Logikgeräte, Daten- und Programmspeicher sowie andere Geräte.
Die Hauptaufgaben des Hauptverarbeitungsmoduls sind: die Einrichtung einer Datenverbindung zwischen seriellen Daten und Ethernet-IP-Daten; die Steuerung des Lesens und Schreibens durch den Ethernet-Control-Chip zur Empfang und Übertragung von IP-Datapakete; die Festlegung eines seriellen Datenstromformats, die Auswahl von seriellen Geräten und die Bestimmung des seriellen Datenstromformats; die Steuerung der Geschwindigkeit von seriellen Datenströmen und IP-Datapakete sowie die Steuerung und Datenpufferung zwischen diesen; die Lese- und Schreiboperationen für UART- und Ethernet-Control-Chip-Register sowie die Speicherung und Weiterleitung des Gerätezustands; die Vervollständigung von 16-Bus-Daten durch einen seriell-parallelen Konverter; die Vervollständigung der Busadressenspeicherfunktion; die Vervollständigung der Chip-Auswahlfunktionen für jeden Port und jedes Speichergerät; die Vervollständigung der Unterscheidung des Unterbrechungszustands für jeden seriellen Port usw.
(2) Ethernet-Schnittstelle und Steuermodul
Dieses Modul besteht aus einer Ethernet-Schnittstelle und einem Ethernet-Steuerungsteil.
Die Ethernet-Schnittstelle vervollständigt teilweise die Funktion des Seriell-Ethernet-Konverters und die Ethernet-Schnittstellenschaltung. Ein Controllermodul übernimmt die Steuerung der gesamte Schnittstellenschaltung, um die Ethernet-Sende- und Empfangfunktionen mit der nachfolgenden Schaltung koordinierend zu vervollständigen.
Die Ethernet-Steuerung besteht teilweise aus dem Empfangsende und dem Sender. Dazwischen gibt es eine Ethernet-Statuserfassung und -steuereinheit sowie einen Sende- und Empfangkoordinationscontroller, wie in Abbildung 5 dargestellt. Da Ethernet halbduplex ist, muss dieser Teil immer bereit sein, den Status von Ethernet zu überwachen und Ethernet zu steuern, wenn nötig, sowie die Arbeit des guten Zustands der interne Sende- und Empfangseite der Schaltung zu koordinieren.
Die Ethernet-Statuserfassungseinheit und der Empfangkoordinationscontroller vervollständigen diese Funktion. Die Ethernet-Controller-Schnittstellenstatuserfassungseinheit und die Ethernet-Schnittstelle senden den Status an den Empfangkoordinationscontroller, während das Steuersignal von dem Controller koordiniert verarbeitet und an den Ethernet-Schnittstellencontroller gesendet wird, um den Schnittstellenstatus zu steuern.
Am Empfangsende wird das empfangene serielle Datenstromsignal durch das Hauptverarbeitungsmodul strickt und konvertiert und kodiert. Die Ethernet-Steuereinheit steuert die Koordinierung jedes Abschnitts. Die resultierende Adresse und Daten werden an die RAM-Schreibsteuersignalverarbeitungseinheit geschrieben. Entsprechend verhält es sich mit dem Sender am gegenüberliegendem Empfangsende.
