計(jì)算機(jī)擴(kuò)展串口的三種方法

現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)，特別是筆記本計(jì)算機(jī)基本上沒(méi)有帶RS-232串口了，但是在許多工業(yè)通信的場(chǎng)合需要用到RS-232口和RS-485口。這樣就需要從計(jì)算機(jī)擴(kuò)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(kuò)出RS-485口�，F(xiàn)在的計(jì)算機(jī)都帶有USB、以太網(wǎng)、總線擴(kuò)展槽，都有相應(yīng)產(chǎn)品可以擴(kuò)展出RS-232串口。本文將以波仕電子的產(chǎn)品為例簡(jiǎn)要介紹分別從USB、以太網(wǎng)、總線擴(kuò)展槽3種擴(kuò)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(kuò)展串口

由于USB接口具有即插即用并且易于用HUB擴(kuò)展的特性，現(xiàn)在只有USB口而沒(méi)有傳統(tǒng)接口的PC已經(jīng)成為主流，那么在這樣的計(jì)算機(jī)上如何使用基于串行接口的設(shè)備呢？ 通過(guò)去除串口、并口以及PS2口等老式端口，然后用諸如USB之類(lèi)即插即用端口加以替代，最終計(jì)算機(jī)客戶現(xiàn)在被迫接受了這樣的結(jié)局。

USB為消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品提供了輕松的擴(kuò)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(kāi)發(fā)人員提供驅(qū)動(dòng)程序，從而使添加外設(shè)變得更為簡(jiǎn)單。同時(shí)通過(guò)集線器擴(kuò)展總線功能使普通用戶能夠方便地添加更多外設(shè)，無(wú)傳統(tǒng)接口的PC目前已成為現(xiàn)實(shí)，正在向普通用戶提供著種種便利。但是，許多業(yè)界專(zhuān)業(yè)人士或嵌入式應(yīng)用人員卻并不像普通用戶那樣對(duì)無(wú)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(lái)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(kāi)發(fā)人員在上面已耗費(fèi)了大量時(shí)間與金錢(qián)，同時(shí)對(duì)其性能也感到滿意。對(duì)工業(yè)通信等專(zhuān)業(yè)用戶而言，無(wú)傳統(tǒng)接口PC的優(yōu)勢(shì)并不明顯。

USB轉(zhuǎn)串口的產(chǎn)品已經(jīng)經(jīng)過(guò)幾代產(chǎn)品的進(jìn)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(dòng)程序以滿足不同用戶或者不同場(chǎng)合的需求。

圖1

波仕最新的型號(hào)為USB232GH3的產(chǎn)品號(hào)稱(chēng)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(shí)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(hù)器。與以前USB232GH1的型號(hào)產(chǎn)品相比，外形和大小相同，但是驅(qū)動(dòng)由ProLific改成了FTDI。USB232GH3擁有波仕RS-485零延時(shí)自動(dòng)切換核心技術(shù)、在DB-9插頭內(nèi)置1個(gè)USB-UART接口芯片、一個(gè)RS-232接口芯片、一個(gè)RS-485接口芯片、一個(gè)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(hù)。  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(dòng)。

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(shí)也許體會(huì)不到兩者的區(qū)別。但是顯然它們是有區(qū)別的。在驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序。不能夠說(shuō)SETUP.EXE的驅(qū)動(dòng)不好，但是還是有一些場(chǎng)合WINDOWS提醒發(fā)現(xiàn)USB設(shè)備需要安裝驅(qū)動(dòng)程序并要求指出驅(qū)動(dòng)程序的位置，這時(shí)SETUP.EXE就無(wú)效了，必須先運(yùn)行SETUP.EXE再插USB設(shè)備才行。比如接以太網(wǎng)/USB服務(wù)器時(shí)，如果WINDOWS不能夠自動(dòng)識(shí)別USB設(shè)備就要求必須指定USB驅(qū)動(dòng)程序的位置，而在本地計(jì)算機(jī)上運(yùn)行SETUP.EXE驅(qū)動(dòng)是無(wú)效的，因?yàn)閁SB設(shè)備不是在本地而是在遠(yuǎn)端。FTDI的驅(qū)動(dòng)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(huì)存在以上SETUP.EXE的問(wèn)題。  波仕電子通過(guò)大量的應(yīng)用表明：?jiǎn)为?dú)使用時(shí)，F(xiàn)TDI與ProLific的USB-UART幾乎體驗(yàn)不到差別，但是當(dāng)與其他產(chǎn)品級(jí)聯(lián)使用時(shí)在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)有些情況下感覺(jué)到ProLific有明顯的延時(shí)而FTDI幾乎沒(méi)有延時(shí)。FTDI的優(yōu)勢(shì)在于延時(shí)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shì)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(chǎng)份額。

USB串口擴(kuò)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(kuò)展器很少，除了功耗較大、發(fā)熱較大，并沒(méi)有比12M的全速USB口在性能上有明顯的優(yōu)勢(shì)。

2  筆記本EXPRESS或者臺(tái)式機(jī)PCMCIA擴(kuò)展槽擴(kuò)展串口
 既然USB擴(kuò)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(kuò)展槽擴(kuò)展出RS-232口呢？這里所說(shuō)的總線擴(kuò)展槽是指筆記本的EXPRESS或者臺(tái)式機(jī)的PCI。根本原因是USB擴(kuò)展出的串口是虛擬串口，沒(méi)有真實(shí)物理地址，不能夠進(jìn)行地址I/O操作。從總線擴(kuò)展槽擴(kuò)展出的串口是真實(shí)物理地址的實(shí)串口，因而克服了虛擬串口固有的缺點(diǎn)。

從總體上講，計(jì)算機(jī)串口擴(kuò)展器分為兩類(lèi)：真實(shí)物理地址串口與虛擬串口。真實(shí)物理地址串口有固定的I/O地址以及中斷號(hào)，比如COM1的基地址規(guī)定為3FC，中斷號(hào)為INT 14。通信軟件可以通過(guò)對(duì)地址的直接I/O讀寫(xiě)來(lái)實(shí)現(xiàn)。虛擬串口就是沒(méi)有固定I/O地址的，它的通信只能通過(guò)比如被包裝的WINDOWS API函數(shù)或者比如MSCOMM控件來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然真實(shí)物理地址串口的通信也可以用API函數(shù)或MSCOMM控件來(lái)實(shí)現(xiàn)。雖然我們確信實(shí)現(xiàn)串口的通信必然存在對(duì)計(jì)算機(jī)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(xiě)，但是因?yàn)樘摂M串口的這些讀寫(xiě)不是固定地址的，而是WINDOWS內(nèi)核智能隨機(jī)分配的，那么用戶就無(wú)法編寫(xiě)出讀寫(xiě)這些動(dòng)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(shí)物理地址串口是可行的。而在我們的大量實(shí)際使用例子中，有些通信軟件即使用的就是API函數(shù)或者M(jìn)SCOMM控件，但是在比如數(shù)據(jù)采集等實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合，往往就是用不了的，而必須使用真實(shí)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?yàn)橄鄬?duì)于直接I/O讀寫(xiě)過(guò)于復(fù)雜而耗時(shí)，使得讀寫(xiě)時(shí)間超過(guò)了實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性和可靠性的考慮仍然使用了I/O讀寫(xiě)，或者就是用API函數(shù)或MSCOMM控件但是實(shí)時(shí)性要求高，這樣就只有用真實(shí)物理地址串口卡。注意無(wú)論是真實(shí)物理地址串口卡還是虛擬串口卡，這些擴(kuò)展出來(lái)的RS-232口都是獨(dú)立的。區(qū)別它們的方法就是看COM口的號(hào)碼，是絕對(duì)不會(huì)重復(fù)的。目前能夠從計(jì)算機(jī)擴(kuò)展出真實(shí)物理地址串口的接口，對(duì)于筆記本來(lái)講只有現(xiàn)在EXPRESS插口，對(duì)于臺(tái)式機(jī)來(lái)講只有PCI插槽。

圖2

圖2是波仕電子的EXPRESS插口擴(kuò)展出真實(shí)物理地址的串口卡。EXPRESS插口全稱(chēng)是RXPRESS PCI或者PCI EXPRESS，也簡(jiǎn)稱(chēng)為E-PCI，它與臺(tái)式機(jī)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(hào)。就是因?yàn)镋XPRESS總線還包含有USB信號(hào)，因此我們要特別注意。因?yàn)檫@就意味著EXPRESS擴(kuò)展出來(lái)的串口可能是真實(shí)物理地址也可能是虛擬串口的。如果用EXPRESS中的USB信號(hào)擴(kuò)展的串口肯定是虛擬的。

另外也并非所有EXPRESS的真實(shí)物理地址串口卡在任何WINDOWS版本下都可以用的起來(lái)。目前主流的WINDOWS版本是XP，而實(shí)際安裝的XP絕大部分是GHOST版本�？赡芤�?yàn)閄P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(shí)物理地址串口卡無(wú)法在GHOST版本的XP下完成安裝。

安裝好了驅(qū)動(dòng)程序后，如何識(shí)別EXPRESS CARD擴(kuò)展的串口是虛擬串口還是真實(shí)物理地址串口呢？以Windows XP為例，點(diǎn)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(diǎn)擊: 屬性\詳細(xì)信息，如果是真實(shí)物理地址的串口，就會(huì)顯示物理地址以及中斷號(hào)，比如3FC、2FC之類(lèi)，如果是USB虛擬串口，就會(huì)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(méi)有帶光電隔離的。波仕電子正在進(jìn)行這些方面的技術(shù)探索，這也是EXPRESS串口擴(kuò)展的未來(lái)發(fā)展方向。工業(yè)應(yīng)用的串口通信往往要求進(jìn)行光電隔離保護(hù)，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(tái)式計(jì)算機(jī)的PCI卡擴(kuò)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(shí)物理地址的串口，也有本身帶光電隔離保護(hù)的。人們并不喜歡用PCI串口擴(kuò)展卡的原因在于安裝和維護(hù)都要打開(kāi)計(jì)算機(jī)的機(jī)箱。長(zhǎng)期實(shí)際使用表明，PCI卡容易松動(dòng)，每次固定都必須打開(kāi)機(jī)箱。

3  以太網(wǎng)擴(kuò)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(jì)算機(jī)的以太網(wǎng)口卻能夠成功地被保留下來(lái)，算是一個(gè)奇跡。雖然用USB/以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器擴(kuò)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(kuò)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(kuò)展出一個(gè)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(shí)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(shí)需要用配置程序config.exe對(duì)產(chǎn)品的以太網(wǎng)IP地址、串口速率等進(jìn)行設(shè)置。通過(guò)Config設(shè)置后ETH232GH產(chǎn)品可以脫離計(jì)算機(jī)。 此時(shí)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(dòng)轉(zhuǎn)換為串口的RS-232協(xié)議數(shù)據(jù)。同樣此時(shí)向串口傳送的RS-232協(xié)議數(shù)據(jù)將自動(dòng)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(guò)操作ETH232GH的IP地址讀寫(xiě)來(lái)實(shí)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(yùn)行“虛擬串口軟件”VSPmaneger還可以將ETH232GH的IP地址虛擬成為一個(gè)本計(jì)算機(jī)的串口COM號(hào)，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(kuò)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(kuò)展出的串口在通用性和穩(wěn)定性方面均優(yōu)于USB擴(kuò)展出的串口。這可能是因?yàn)橐蕴�網(wǎng)的信號(hào)的發(fā)送與接收分開(kāi)的，而USB信號(hào)的收與發(fā)是分時(shí)共用的。雖然現(xiàn)在以太網(wǎng)的速率已經(jīng)達(dá)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(wú)論從10M還是100M甚至1000M以太網(wǎng)擴(kuò)展出的RS-232串口的性能可以說(shuō)幾乎沒(méi)有什么差別，反而高速以太網(wǎng)的功耗更大。

以太網(wǎng)擴(kuò)展的串口缺點(diǎn)就是需要外接電源。對(duì)于這個(gè)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(jiǎn)要地說(shuō)，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(lái)的以太網(wǎng)也可以象USB一樣做到無(wú)需供電。