以太网串口服务器ESP904的特性及其在ROV上的应用

0 引言

随着工业以太网的迅猛发展， 各种家电设备、仪器仪表以及工业生产过程中的数据采集和控制设置正在逐步走向网络化， 以实现网络资源共享。但是， 由于工业生产中很多仪表设备都采用嵌入式系统， 只能提供串口通信， 而无法直接连接到以太网上， 所以， 以太网串口服务器在工业以太网和仪表设备之间具有非常重要的桥接作用。

以太网串口服务器可以将配有串口的设备连接到局域网或广域网中， 并实现仪表设备的串口数据帧和以太网数据帧之间的相互转换和发送，从而通过以太网启动工业设备的串口， 将工业生产中的远端设备所发送的串行数据传送到任何一台计算机上， 就像它们近在咫尺一样。目前， 以太网串口服务器的开发和应用非常普遍， 其中以美国B&B公司提供的以太网串口服务器ESP904的应用较为典型， 它利用因特网的高带宽、远距离等特性， 可以让传统的RS-232/422/485设备立即联网， 并在任何位置通过网络来管理和配置远程的串口设备， 因而是工业应用的理想选择。

1 ESP904的主要特性

ESP904是B&B公司专为苛刻的工业环境应用而设计的VlinxTM ESP系列以太网串口服务器，该器件具有由IP30认证的轻巧坚固的金属外壳，可支持TCP服务器、TCP客户端、UDP、虚拟COM和配对(Pair) 模式， 并可自动侦测10/100Mbps以太网端口， 而且安装便捷。它可以通过ESP管理器、Web和Telnet控制台管理以进行远程升级或恢复默认设置， 也可以对控制模式进行远程手动管理， 并可通过LED指示灯提供快捷的运行状态显示。设计时， 可以通过软件选择RS-232、RS-422或者RS-485端口， 而且， 半/全双工皆可。此外， ESP904还带有局域网RJ45接口和串口DB9公头接口， 可管理并支持多个TCP连接，也可为windows NT/2000/XP/VISTA提供虚拟COM驱动。

如果已经有一个串口设备， 并处于以太网局域网或广域网中， 那么， 就可以用串口服务器与该串品设备相匹配。就好像控制室的计算机显示设备直接连到.上一样， 这样， 不需要离开办公桌就可以使其发挥更大功能， 甚至可以在局域网之外通过网络进行故障诊断。ESP904 四端口以太网串口服务器提供有以太网到RS232RS422RS485的串口连接， 可通过局域网或广域网使用直接IP模式、虚拟COM模式或者配对(Pair) 模式进行连接。

虚拟COM口模式使用ESP管理器软件中的InstallVirtual COM来在windows 中安装驱动程序，新的COM口会出现在计算机的Windows设备管理器中， 这样就在局域网或者广域网中的计算机和以太网串口服务器的IP地址间创建了一个虚拟的连接。Windows应用程序使用标准Windows API指令并通过这个虚拟连接来实现通讯， 从而与ESP904上一个端口的远程串行设备相连以进行通讯。连接建立后， 局域网对程序和串口设备来说就是透明的， 这就好像这些串口设备与PC上的物理COM口直接连接一样。虚拟串行端口软件可将应用数据转换为IP数据包， 并通过网络发送到ESP904， ESP904又可以将IP数据包转换为串行数据， 并把数据发送到ESP904上的串行端口。使用这种模式， ESP904必须设置为TCP服务器或者UDP服务器并指派通讯端口号， 虚拟串口驱动的就是TCP或者UDP客户端。

IP直连模式允许应用程序使用TCP/IP 或者UDP/IP套间字程序与以太网串口服务器上的串口直接建立连接。在这种应用中， 串口服务器被配置为TCP或者UDP服务器。运行在PC上的套间字程序可与串口服务器的IP地址建立通讯连接。服务器的串口可以直接发送和接收数据。当使用UDP协议时， 服务器就被配置为广播数据来接收和发送来自多IP地址的数据。如果自己编写应用方案， 一般推荐选择这种连接模式。

配对(Pair) 模式也叫串行隧道模式， 在这个模式下， 串行数据被封装在数据包中并通过以太网传送。通过使用两个以太网串口服务器和一个局域网， 任何两个能够用串口通讯的串行设备将都能够使用ESP904和局域网进行通讯， 此时串行服务器可以自动处理网络端通讯。在此模式中，有两个ESP904服务器连接到网络， 一个配置为TCP或者UDP客户端， 另一个则为TCP/UDP服务器， 且这两个串口服务器都用其对接设备的IP地址来编程。只要电缆长度适合你的局域网或广域网的规模， 这种操作模式可以在任意两个串口设备之间建立串口连接。

此外， ESP904以太网串口服务器的心跳连接保护功能也可以在虚拟串口模式或者串行隧道模式下为用户提供稳定的通讯， ESP904以太网串口服务器的这个特征可以在系统掉电或者以太网连接丢失等原因造成临时通讯丢失的情况下恢复连接。一般情况下， 如果通讯中断， 串口服务器的心跳特征会每隔5秒钟尝试重新建立一次连接，直至连接恢复。如果没有这一便捷功能， 一旦设备失去连接， 通讯中断， 就只有通过人工修复才能重新建立连接。

ESP904的管理器软件也可为用户提供完整的办公桌管理功能， 包括配置设备、固件升级以及监控活动状态， 其监控端口功能允许使用局域网或者广域网中的任意一台PC， 来对网络及连接到网络中的设备进行实时监控、诊断， 并显示关联硬件的通讯状态。

2 ESP904以太网串口服务器的配置

ESP904提供有ESP管理器软件、网页服务器、控制台模式和远程登录模式等4种不同的接口方式来配置以太网串口服务器， 从而可以很方便地对ESP904的属性进行配置或恢复默认设置，也可以对控制模式进行远程手动管理。下面介绍怎样通过ESP管理器对ESP904串口服务器进行设置。

安装并运行VLINX ESP管理器可自动寻找并显示网络上所有ESP904串口服务器的名称、IP地址、网络协议、端口号及端口状态， 每个串口服务器对应四个串口端口， 双击ESP904管理器列表上的服务器属性， 就会弹出图1所示的对话框。



图1 服务器属性设置对话框

图1所示的对话框中的服务器名称(Server)用于给串行服务器指派最多由16个字符组成的名字， 以便区别局域网上的多个串行服务器， 当ESP 管理器在局域网中发现了串行服务器， 就会显示串行名字和IP地址， 以允许用户区别不同的串行服务器。

DHCP是局域网管理系统的一部分。DHCP域提供有两个选择： 不使能和使能， 不使能是正常的或者缺省设置。当使能时， ESP904发送DHCP请求到DHCP服务器， 并要求分派动态IP地址、子网掩码和网关给ESP904。如果DHCP在网络上不可用， 则在10秒后， ESP904超时， 但缺省值将保留。主服务器与客户端之间的通讯软件要求连接到一个具体的IP地址串口服务器。如果DHCP重新分派一个不同的IP地址， 软件将不能够与硬件通讯， 因此， 推荐使用一个静态的IP地址。一般在使用ESP904串口服务器时， 其IP地址就已经分配好了， 所以不需要使能DHCP。

ESP904上的串口波特率必须与连接设备的波特率相匹配， 除非使用虚拟串口模式。在虚拟串口模式下， 软件程序将建立串口设置。

网络通讯协议的选择要根据实际需要来确定使用TCP还是UDP协议。如果应用不要求UDP，就选择TCP， 它能保证稳定的通讯并有差错检查；然而， UDP能提供更快的传输。但应注意， 根据选择TCP和UDP协议模式的不同， 它们的一些参数设置选项也不同。[page]

图1对话框里允许用户输入2个ASCII字符来分割一条消息的开始和结尾， 当一条包含这些分隔符的消息在串行端口被接收到时， 在串行缓冲区所包含的数据将被打包为以太网数据包并发送到以太网端口。如果只有分隔符1被设置(分隔符2为0或者空)， ESP901/902收到分隔符1就将串行缓冲区的数据打包为以太网数据包， 并发送到以太网端口。如果接收到的串行数据大于1KB，它将自动打包为以太网数据包并发送到以太网端口。

Force Transmit参数表示允许用户设置数据传输之间的最大时间限制， 设置值乘以100 ms就是Force Transmit时间， 当所花费的时间达到这个域配置的时间时， TCP/IP协议将在当前串行缓冲区打包数据并将其发送到以太网端口。

TCP/UDP 端口的缺省值为4000、4001、4002、4003， 它们分别单独对应串口服务器的端口1、2、3、4， 如果端口号属性被修改， 那么，被安装电脑的设备管理器虚拟COM口设置也将被改变。在直接IP 或者虚拟COM 操作模式中，ESP904菜单里的端口号设置必须与虚拟COM或者套间字软件端口设置相匹配。

服务器串行端口可根据需要配置为控制台(Console) 模式、升级(Upgrade) 模式、缺省模式、RS232模式、RS422模式和RS485模式， 用户可以根据需要对端口进行配置。下面分别对各种操作模式进行介绍。

在控制台模式， ESP904管理器软件可从运行在PC上的超级终端与串口服务器进行通讯， PC通过串口线连接到服务器的端口1的232串口上。

由于PC为DTE设备， 904串口配置为DTE (DB9)，所以， 必须使用交叉线。

在升级模式，更新的固件能通过串口从PC上传到904的端口1 (端口1为RS-232串口)。也可以通过网络连接， 用ESP管理器和虚拟串口与904端口1形成映射来进行升级， 从而上传新的固件到服务器。

在缺省模式，当服务器属性更新时， 所有的配置设置将返回到他们的缺省值。ESP904端口的缺省设置为： 端口1为控制台模式， 端口2、3、4为RS-232模式。

RS232模式、RS422模式和RS485模式的选择将服务器端口分别配置为RS232接口、RS422接口和RS485接口， 当服务器被更新时， 服务器上选择的端口将变成对应的接口。

3 ESP904在ROV控制体系中的应用

传统的水下机器人内部数据通信系统是基于串行总线的通讯系统。但是， 随着近年来以太网技术的快速发展， 特别是高速以太网技术的发展， 极大地减少了数据在网络传输上的延迟， 而工业以太网交换机能够把控制网络分成若干个相互独立的冲突域， 故可避免不同冲突域之间的节点因竞争线路而发生碰撞， 从而提高了数据在网络中传输的可靠性和稳定性。因此， 在工业控制中， 越来越多的传统现场总线控制网络被工业以太网所代替， 并已发展成为一个技术趋势。为此， 本文的HYSUB130 -4000 ROV (ROV， RemotelyOperated Vehicle) 系统在遥控水下机器人控制系统中也采用了光纤以太网通讯体系结构。

HYSUB130-4000 ROV系统除了较多的控制计算机接入到以太网网络体系中外， 还有很多嵌入式控制模块， 这些模块只能提供串口通讯模式。为了能将这些嵌入式控制模块接入到遥控水下机器人的以太网控制系统中， 本系统在开发过程中采用了以太网串口服务器ESP904， 它的串口转以太网性能可以很好的解决这个问题。

HYSUB130-4000ROV系统的以太网控制体系如图2所示。



图2 ROV系统的以太网控制体系

本系统中的甲板控制计算机和ROV本体控制计算机是ROV控制系统里的主控制计算机， 是ROV系统的大脑和“指挥中心”， 其他计算机用于辅助管理视频、导航数据、切换控制等操作。

除此之外， HYSUB130-4000ROV系统还采用了ESP904以太网串口服务器来将众多嵌入式控制模块接入以太网。甲板串口服务器ESP904连接ROV本体远程控制模块、驾驶员操纵杆控制模块、7功能机械手操纵杆控制模块和电源分配单元控制模块， 它们通过RS-485总线连接到ESP904服务器的串行端口。水下ROV本体串口服务器ESP904连接CTD传感器、远程I/O控制模块、采样蓝控制模块和工具阀箱控制模块， 它们分别根据需要通过RS-232或者RS-485总线连接到ESP904的串行端口上， 这样就可以使以太网控制系统中的任何一台计算机都通过以太网像访问真正的串口设备一样去访问分别连接到ESP904串口服务器上的设备。

4 结束语

由于遥控水下机器人控制系统的惯性较大，其控制周期接近于秒级， 因此， 通过实践证明，以太网数据传输能够很好的满足遥控水下机器人控制体系的控制性能， 而且可以通过交换机扩展以太网串口服务器， 同时在理论上还可以扩展任意多串口设备， 因而可以使更多设备通过网络进行通讯， 并为设备的扩展提供了更大的接口空间。此外， 通过ESP904以太网串口服务器可还以实时查看状态， 完成配置， 并通过网络中的任意计算机实现本地网络及相关设备的故障诊断， 也能实时检测通讯中断情况， 保持通讯畅通， 从而极大地方便实际应用。