計算機擴展串口的三種方法

計算機擴展串口的三種方法現在的計算機，特別是筆記本計算機基本上沒(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。這樣就需要從計算機擴展出RS-232口，有了RS-232口加波仕RS-232/RS-485轉換器就可以擴出RS-485口?，F在的計算機都帶有USB、以太網(wǎng)、總線(xiàn)擴展槽，都有相應產(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(jiǎn)要介紹分別從USB、以太網(wǎng)、總線(xiàn)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別，以幫助用戶(hù)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，現在只有USB口而沒(méi)有傳統接口的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，最終計算機客戶(hù)現在被迫接受了這樣的結局。

USB為消費類(lèi)電子產(chǎn)品提供了輕松的擴展功能，許多設備操作系統本身就可以提供支持，不要求外設開(kāi)發(fā)人員提供驅動(dòng)程序，從而使添加外設變得更為簡(jiǎn)單。同時(shí)通過(guò)集線(xiàn)器擴展總線(xiàn)功能使普通用戶(hù)能夠方便地添加更多外設，無(wú)傳統接口的PC目前已成為現實(shí)，正在向普通用戶(hù)提供著(zhù)種種便利。但是，許多業(yè)界專(zhuān)業(yè)人士或嵌入式應用人員卻并不像普通用戶(hù)那樣對無(wú)傳統接口PC的出現這么振奮。許多應用一直采用各種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連接方式數十年來(lái)一直是低帶寬通信的主流。就控制、監控與小容量數據傳輸而言， UART連接提供了一種成本低廉使用方便的解決方案，應用系統開(kāi)發(fā)人員在上面已耗費了大量時(shí)間與金錢(qián)，同時(shí)對其性能也感到滿(mǎn)意。對工業(yè)通信等專(zhuān)業(yè)用戶(hù)而言，無(wú)傳統接口PC的優(yōu)勢并不明顯。

USB轉串口的產(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轉換到USB/RS-232/485/422轉換，再到加光電隔離以及光纖傳輸?，F在最新的波仕電子的微型高速光隔USB到RS-232/485/422轉換器已經(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動(dòng)程序以滿(mǎn)足不同用戶(hù)或者不同場(chǎng)合的需求。

圖1

波仕最新的型號為USB232GH3的產(chǎn)品號稱(chēng)是世界上最小的高速光隔USB/RS-232/485/422轉換器。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2500V光電隔離、支持0-115200bps速率、內置有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。 從使用方便性方面，新的USB232GH3改用了固定的USB電纜，不用擔心USB線(xiàn)松動(dòng)。

這里順便介紹一下FTDI與ProLific的USB-UART的區別。在絕大部分情況下，用戶(hù)使用時(shí)也許體會(huì )不到兩者的區別。但是顯然它們是有區別的。在驅動(dòng)程序上，WIN XP/VISTA/7以后ProLific只提供了SETUP.EXE可執行文件形式的驅動(dòng)程序。不能夠說(shuō)SETUP.EXE的驅動(dòng)不好，但是還是有一些場(chǎng)合WINDOWS提醒發(fā)現USB設備需要安裝驅動(dòng)程序并要求指出驅動(dòng)程序的位置，這時(shí)SETUP.EXE就無(wú)效了，必須先運行SETUP.EXE再插USB設備才行。比如接以太網(wǎng)/USB服務(wù)器時(shí)，如果WINDOWS不能夠自動(dòng)識別USB設備就要求必須指定USB驅動(dòng)程序的位置，而在本地計算機上運行SETUP.EXE驅動(dòng)是無(wú)效的，因為USB設備不是在本地而是在遠端。FTDI的驅動(dòng)程序是帶有安裝信息的INF配置文件而不是EXE可執行文件，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)大量的應用表明：?jiǎn)为毷褂脮r(shí)，FTDI與ProLific的USB-UART幾乎體驗不到差別，但是當與其他產(chǎn)品級聯(lián)使用時(shí)在發(fā)送和接收數據時(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)勢在于延時(shí)要遠遠小于ProLific的，雖然大部分情況下不影響用戶(hù)的使用。FTDI的成本明顯高于ProLific,我們認為應該有它的理由。ProLific的優(yōu)勢在于應用量非常大，而且產(chǎn)品規格齊全，占據了絕大部分市場(chǎng)份額。

USB串口擴展器現在幾乎都基于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(méi)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出現之后仍然需要從總線(xiàn)擴展槽擴展出RS-232口呢？這里所說(shuō)的總線(xiàn)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(méi)有真實(shí)物理地址，不能夠進(jìn)行地址I/O操作。從總線(xiàn)擴展槽擴展出的串口是真實(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，計算機串口擴展器分為兩類(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，比如COM1的基地址規定為3FC，中斷號為INT 14。通信軟件可以通過(guò)對地址的直接I/O讀寫(xiě)來(lái)實(shí)現。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函數或者比如MSCOMM控件來(lái)實(shí)現。當然真實(shí)物理地址串口的通信也可以用API函數或MSCOMM控件來(lái)實(shí)現。雖然我們確信實(shí)現串口的通信必然存在對計算機內部的串口通信芯片的地址總線(xiàn)和數據總線(xiàn)的讀寫(xiě)，但是因為虛擬串口的這些讀寫(xiě)不是固定地址的，而是WINDOWS內核智能隨機分配的，那么用戶(hù)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函數或者M(jìn)SCOMM控件，但是在比如數據采集等實(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A(yíng)PI函數或是MSCOMM控件因為相對于直接I/O讀寫(xiě)過(guò)于復雜而耗時(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，這些擴展出來(lái)的RS-232口都是獨立的。區別它們的方法就是看COM口的號碼，是絕對不會(huì )重復的。目前能夠從計算機擴展出真實(shí)物理地址串口的接口，對于筆記本來(lái)講只有現在EXPRESS插口，對于臺式機來(lái)講只有PCI插槽。

圖2

圖2是波仕電子的EXPRESS插口擴展出真實(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，它與臺式機的PCI接口規范是一樣的，但是在物理尺寸上有一些減小，注意EXPRESS總線(xiàn)還包含有USB信號。就是因為EXPRESS總線(xiàn)還包含有USB信號，因此我們要特別注意。因為這就意味著(zhù)EXPRESS擴展出來(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信號擴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?？赡芤驗閄P出現的比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。

安裝好了驅動(dòng)程序后，如何識別EXPRESS CARD擴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:我的電腦屬性系統屬性硬件設備管理器端口，找到新出現的COM口，再點(diǎn)擊: 屬性詳細信息，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，比如3FC、2FC之類(lèi)，如果是USB虛擬串口，就會(huì )顯示USB的字樣,比如設備范例ID：USBVID_067BPID_2303518CD348412。

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串口擴展的未來(lái)發(fā)展方向。工業(yè)應用的串口通信往往要求進(jìn)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(shí)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(kāi)計算機的機箱。長(cháng)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)機箱。

3 以太網(wǎng)擴展出串口

以太網(wǎng)雖然也可以算作傳統的接口，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(lái)，算是一個(gè)奇跡。雖然用USB/以太網(wǎng)轉換器擴展出以太網(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(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)現了以太網(wǎng)、電源、串口的三方隔離。

將ETH232GH以太網(wǎng)/串口轉換器接上直流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對產(chǎn)品的以太網(wǎng)IP地址、串口速率等進(jìn)行設置。通過(guò)Config設置后ETH232GH產(chǎn)品可以脫離計算機。 此時(shí)向ETH232GH的以太網(wǎng)口（RJ-45口）傳送的TCP/IP協(xié)議數據將自動(dòng)轉換為串口的RS-232協(xié)議數據。同樣此時(shí)向串口傳送的RS-232協(xié)議數據將自動(dòng)轉換為ETH232GH以太網(wǎng)口（RJ-45口）的TCP/IP協(xié)議數據。用戶(hù)還可以直接通過(guò)操作ETH232GH的IP地址讀寫(xiě)來(lái)實(shí)現串口數據的發(fā)送和接收的，也可以將程序的源代碼嵌入用戶(hù)的應用程序中。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(gè)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，但是我們的大量應用表明以太網(wǎng)擴展出的串口在通用性和穩定性方面均優(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(kāi)的，而USB信號的收與發(fā)是分時(shí)共用的。雖然現在以太網(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)標準的。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)擴展的串口缺點(diǎn)就是需要外接電源。對于這個(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)規范POE（POWER OVER ETHENET）。簡(jiǎn)要地說(shuō)，就是利用8根以太網(wǎng)線(xiàn)中空著(zhù)的4根線(xiàn)作為電源線(xiàn)，這4根線(xiàn)原本是作為屏蔽線(xiàn)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(xiàn)。相信隨著(zhù)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。