武漢波仕電子公司 2010-8
現(xiàn)在的計算機，特別是筆記本計算機基本上沒有帶RS-232串口了，但是在許多工業(yè)通信的場合需要用到RS-232口和RS-485口。這樣就需要從計算機擴展出RS-232口，有了RS-232口加波仕RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器就可以擴出RS-485口?，F(xiàn)在的計算機都帶有USB、以太網(wǎng)、總線擴展槽，都有相應(yīng)產(chǎn)品可以擴展出RS-232串口。本文將以波仕電子的產(chǎn)品為例簡要介紹分別從USB、以太網(wǎng)、總線擴展槽3種擴展出RS-232串口的方法，并且介紹它們之間的區(qū)別，以幫助用戶正確選擇。
1 USB 擴展串口
由于USB接口具有即插即用并且易于用HUB擴展的特性，現(xiàn)在只有USB口而沒有傳統(tǒng)接口的PC已經(jīng)成為主流，那么在這樣的計算機上如何使用基于串行接口的設(shè)備呢？ 通過去除串口、并口以及PS2口等老式端口，然后用諸如USB之類即插即用端口加以替代，最終計算機客戶現(xiàn)在被迫接受了這樣的結(jié)局。
USB為消費類電子產(chǎn)品提供了輕松的擴展功能，許多設(shè)備操作系統(tǒng)本身就可以提供支持，不要求外設(shè)開發(fā)人員提供驅(qū)動程序，從而使添加外設(shè)變得更為簡單。同時通過集線器擴展總線功能使普通用戶能夠方便地添加更多外設(shè)，無傳統(tǒng)接口的PC目前已成為現(xiàn)實，正在向普通用戶提供著種種便利。但是，許多業(yè)界專業(yè)人士或嵌入式應(yīng)用人員卻并不像普通用戶那樣對無傳統(tǒng)接口PC的出現(xiàn)這么振奮。許多應(yīng)用一直采用各種UART接口（就是RS-232協(xié)議的接口，一般指TTL電平的），既不需要也不希望有什么改變。不管是RS-232、RS-422還是RS-485，UART連接方式數(shù)十年來一直是低帶寬通信的主流。就控制、監(jiān)控與小容量數(shù)據(jù)傳輸而言， UART連接提供了一種成本低廉使用方便的解決方案，應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)人員在上面已耗費了大量時間與金錢，同時對其性能也感到滿意。對工業(yè)通信等專業(yè)用戶而言，無傳統(tǒng)接口PC的優(yōu)勢并不明顯。
USB轉(zhuǎn)串口的產(chǎn)品已經(jīng)經(jīng)過幾代產(chǎn)品的進化，性能全面提高。從最初的USB/RS-232轉(zhuǎn)換到USB/RS-232/485/422轉(zhuǎn)換，再到加光電隔離以及光纖傳輸?，F(xiàn)在最新的波仕電子的微型高速光隔USB到RS-232/485/422轉(zhuǎn)換器已經(jīng)可以做到一根帶USB插頭的DB-9外殼中，注意不是那種特意加大的看似DB-9的大外殼。還可以選擇不同的驅(qū)動程序以滿足不同用戶或者不同場合的需求。
圖1
波仕最新的型號為USB232GH3的產(chǎn)品號稱是世界上最小的高速光隔USB/RS-232/485/422轉(zhuǎn)換器。USB232GH3外形如圖1，RS-232、RS-485、RS-422通用，可以虛擬成為本地COM串口(COM1-COM256)、實現(xiàn)2500V光電隔離、支持0-115200bps速率、內(nèi)置有600W抗雷擊浪涌保護器。與以前USB232GH1的型號產(chǎn)品相比，外形和大小相同，但是驅(qū)動由ProLific改成了FTDI。USB232GH3擁有波仕RS-485零延時自動切換核心技術(shù)、在DB-9插頭內(nèi)置1個USB-UART接口芯片、一個RS-232接口芯片、一個RS-485接口芯片、一個RS-422接口芯片、DC/DC隔離電源以及2500V的光電隔離器等、還帶600W抗雷擊浪涌保護。 從使用方便性方面，新的USB232GH3改用了固定的USB電纜，不用擔(dān)心USB線松動。
這里順便介紹一下FTDI與ProLific的USB-UART的區(qū)別。在絕大部分情況下，用戶使用時也許體會不到兩者的區(qū)別。但是顯然它們是有區(qū)別的。在驅(qū)動程序上，WIN XP/VISTA/7以后ProLific只提供了SETUP.EXE可執(zhí)行文件形式的驅(qū)動程序。不能夠說SETUP.EXE的驅(qū)動不好，但是還是有一些場合WINDOWS提醒發(fā)現(xiàn)USB設(shè)備需要安裝驅(qū)動程序并要求指出驅(qū)動程序的位置，這時SETUP.EXE就無效了，必須先運行SETUP.EXE再插USB設(shè)備才行。比如接以太網(wǎng)/USB服務(wù)器時，如果WINDOWS不能夠自動識別USB設(shè)備就要求必須指定USB驅(qū)動程序的位置，而在本地計算機上運行SETUP.EXE驅(qū)動是無效的，因為USB設(shè)備不是在本地而是在遠端。FTDI的驅(qū)動程序是帶有安裝信息的INF配置文件而不是EXE可執(zhí)行文件，而且在各種WINDOWS版本下都通用，就不會存在以上SETUP.EXE的問題。 波仕電子通過大量的應(yīng)用表明：單獨使用時，FTDI與ProLific的USB-UART幾乎體驗不到差別，但是當(dāng)與其他產(chǎn)品級聯(lián)使用時在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時有些情況下感覺到ProLific有明顯的延時而FTDI幾乎沒有延時。FTDI的優(yōu)勢在于延時要遠遠小于ProLific的，雖然大部分情況下不影響用戶的使用。FTDI的成本明顯高于ProLific,我們認(rèn)為應(yīng)該有它的理由。ProLific的優(yōu)勢在于應(yīng)用量非常大，而且產(chǎn)品規(guī)格齊全，占據(jù)了絕大部分市場份額。
USB串口擴展器現(xiàn)在幾乎都基于USB全速的，即12M的USB口。由于RS-232串口的最高通信速率只有115.2Kbps，所以12M速率的USB口已經(jīng)足夠。至于基于USB高速480M的串口擴展器很少，除了功耗較大、發(fā)熱較大，并沒有比12M的全速USB口在性能上有明顯的優(yōu)勢。
2 筆記本EXPRESS或者臺式機PCMCIA擴展槽擴展串口
既然USB擴展串口如此方便，產(chǎn)品也很齊全，那為什么在USB出現(xiàn)之后仍然需要從總線擴展槽擴展出RS-232口呢？這里所說的總線擴展槽是指筆記本的EXPRESS或者臺式機的PCI。根本原因是USB擴展出的串口是虛擬串口，沒有真實物理地址，不能夠進行地址I/O操作。從總線擴展槽擴展出的串口是真實物理地址的實串口，因而克服了虛擬串口固有的缺點。
從總體上講，計算機串口擴展器分為兩類：真實物理地址串口與虛擬串口。真實物理地址串口有固定的I/O地址以及中斷號，比如COM1的基地址規(guī)定為3FC，中斷號為INT 14。通信軟件可以通過對地址的直接I/O讀寫來實現(xiàn)。虛擬串口就是沒有固定I/O地址的，它的通信只能通過比如被包裝的WINDOWS API函數(shù)或者比如MSCOMM控件來實現(xiàn)。當(dāng)然真實物理地址串口的通信也可以用API函數(shù)或MSCOMM控件來實現(xiàn)。雖然我們確信實現(xiàn)串口的通信必然存在對計算機內(nèi)部的串口通信芯片的地址總線和數(shù)據(jù)總線的讀寫，但是因為虛擬串口的這些讀寫不是固定地址的，而是WINDOWS內(nèi)核智能隨機分配的，那么用戶就無法編寫出讀寫這些動態(tài)I/O的指令。顯然如果通信軟件中有I/O地址，那么就只有真實物理地址串口是可行的。而在我們的大量實際使用例子中，有些通信軟件即使用的就是API函數(shù)或者MSCOMM控件，但是在比如數(shù)據(jù)采集等實時性要求較高的場合，往往就是用不了的，而必須使用真實物理地址串口。原因可能是虛擬串口由于API函數(shù)或是MSCOMM控件因為相對于直接I/O讀寫過于復(fù)雜而耗時，使得讀寫時間超過了實時性要求而通信失敗。已經(jīng)有的大量工業(yè)串口通信軟件由于實時性和可靠性的考慮仍然使用了I/O讀寫，或者就是用API函數(shù)或MSCOMM控件但是實時性要求高，這樣就只有用真實物理地址串口卡。注意無論是真實物理地址串口卡還是虛擬串口卡，這些擴展出來的RS-232口都是獨立的。區(qū)別它們的方法就是看COM口的號碼，是絕對不會重復(fù)的。目前能夠從計算機擴展出真實物理地址串口的接口，對于筆記本來講只有現(xiàn)在EXPRESS插口，對于臺式機來講只有PCI插槽。
圖2
圖2是波仕電子的EXPRESS插口擴展出真實物理地址的串口卡。EXPRESS插口全稱是RXPRESS PCI或者PCI EXPRESS，也簡稱為E-PCI，它與臺式機的PCI接口規(guī)范是一樣的，但是在物理尺寸上有一些減小，注意EXPRESS總線還包含有USB信號。就是因為EXPRESS總線還包含有USB信號，因此我們要特別注意。因為這就意味著EXPRESS擴展出來的串口可能是真實物理地址也可能是虛擬串口的。如果用EXPRESS中的USB信號擴展的串口肯定是虛擬的。
另外也并非所有EXPRESS的真實物理地址串口卡在任何WINDOWS版本下都可以用的起來。目前主流的WINDOWS版本是XP，而實際安裝的XP絕大部分是GHOST版本?？赡芤驗?span lang="EN-US">XP出現(xiàn)的比EXPRESS早，也可能目前EXPRESS串口卡正在發(fā)展階段，許多的EXPRESS真實物理地址串口卡無法在GHOST版本的XP下完成安裝。
安裝好了驅(qū)動程序后，如何識別EXPRESS CARD擴展的串口是虛擬串口還是真實物理地址串口呢？以Windows XP為例，點擊:我的電腦\屬性\系統(tǒng)屬性\硬件\設(shè)備管理器\端口，找到新出現(xiàn)的COM口，再點擊: 屬性\詳細(xì)信息，如果是真實物理地址的串口，就會顯示物理地址以及中斷號，比如3FC、2FC之類，如果是USB虛擬串口，就會顯示USB的字樣,比如設(shè)備范例ID：USB\VID_067B&PID_2303\5&18CD3484&1&2。
由于受到光耦和DC/DC隔離電源體積大小的限制，而RXPRESS卡的厚度限制只有4毫米，所以目前的EXPRESS串口卡還沒有帶光電隔離的。波仕電子正在進行這些方面的技術(shù)探索，這也是EXPRESS串口擴展的未來發(fā)展方向。工業(yè)應(yīng)用的串口通信往往要求進行光電隔離保護，暫行的解決辦法是在RS-232端加光電隔離器或者光電隔離的RS-232/485轉(zhuǎn)換器。
臺式計算機的PCI卡擴展串口的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，產(chǎn)品也很齊全。目前都是真實物理地址的串口，也有本身帶光電隔離保護的。人們并不喜歡用PCI串口擴展卡的原因在于安裝和維護都要打開計算機的機箱。長期實際使用表明，PCI卡容易松動，每次固定都必須打開機箱。
3 以太網(wǎng)擴展出串口
以太網(wǎng)雖然也可以算作傳統(tǒng)的接口，但是由于局域網(wǎng)技術(shù)的不斷更新發(fā)展，計算機的以太網(wǎng)口卻能夠成功地被保留下來，算是一個奇跡。雖然用USB/以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器擴展出以太網(wǎng)是很方便的，但是由于以太網(wǎng)口（就是RJ-45口）應(yīng)用太廣泛，與其用USB擴展出以太網(wǎng)，還不如直接保留以太網(wǎng)。
圖3
波仕電子成功地推出了適合工業(yè)通信的第一款帶光電隔離的以太網(wǎng)/串口轉(zhuǎn)換器ETH232GH（圖3）。 ETH232GH具有超小型的外形(80*23*47mm)、從10M以太網(wǎng)口擴展出一個光電隔離的RS-232、RS-485、RS-422口，并且可以虛擬成為本地COM串口。ETH232GH實現(xiàn)了以太網(wǎng)、電源、串口的三方隔離。
將ETH232GH以太網(wǎng)/串口轉(zhuǎn)換器接上直流5V電源，將RJ-45座插入以太網(wǎng)的RJ-45插頭。使用時需要用配置程序config.exe對產(chǎn)品的以太網(wǎng)IP地址、串口速率等進行設(shè)置。通過Config設(shè)置后ETH232GH產(chǎn)品可以脫離計算機。 此時向ETH232GH的以太網(wǎng)口（RJ-45口）傳送的TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)將自動轉(zhuǎn)換為串口的RS-232協(xié)議數(shù)據(jù)。同樣此時向串口傳送的RS-232協(xié)議數(shù)據(jù)將自動轉(zhuǎn)換為ETH232GH以太網(wǎng)口（RJ-45口）的TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)。用戶還可以直接通過操作ETH232GH的IP地址讀寫來實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收的，也可以將程序的源代碼嵌入用戶的應(yīng)用程序中。如果再運行“虛擬串口軟件”VSPmaneger還可以將ETH232GH的IP地址虛擬成為一個本計算機的串口COM號，這樣在Windows下的各種串口通信程序都可以使用。
雖然以太網(wǎng)擴展出的串口也是虛擬串口，但是我們的大量應(yīng)用表明以太網(wǎng)擴展出的串口在通用性和穩(wěn)定性方面均優(yōu)于USB擴展出的串口。這可能是因為以太網(wǎng)的信號的發(fā)送與接收分開的，而USB信號的收與發(fā)是分時共用的。雖然現(xiàn)在以太網(wǎng)的速率已經(jīng)達到100M至1000M，但是都是向下兼容10M以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的。由于RS-232串口最高只有115.2Kbps的速率，所以無論從10M還是100M甚至1000M以太網(wǎng)擴展出的RS-232串口的性能可以說幾乎沒有什么差別，反而高速以太網(wǎng)的功耗更大。
以太網(wǎng)擴展的串口缺點就是需要外接電源。對于這個以太網(wǎng)的天然缺陷，已經(jīng)早有人提出了以太網(wǎng)供電的技術(shù)規(guī)范POE（POWER OVER ETHENET）。簡要地說，就是利用8根以太網(wǎng)線中空著的4根線作為電源線，這4根線原本是作為屏蔽線的。POE的定義為4-5腳短接后共同接+48V電源正極，7-8腳短接后共同作為電源的地線。相信隨著POE技術(shù)的普及，將來的以太網(wǎng)也可以象USB一樣做到無需供電。
