0 引言
以太網串口服務器可以將配有串口的設備連接到局域網或廣域網中，并實現儀表設備的串口數據幀和以太網數據幀之間的相互轉換和發送，從而通過以太網啟動工業設備的串口， 將工業生產中的遠端設備所發送的串行數據傳送到任何一臺計算機上，就像它們近在咫尺一樣。
目前，以太網串口服務器的開發和應用非常普遍，其中以美國B&B公司提供的以太網串口服務器ESP904的應用較為典型，它利用因特網的高帶寬、遠距離等特性，可以讓傳統的RS-232/422/485設備立即聯網，并在任何位置通過網絡來管理和配置遠程的串口設備，因而是工業應用的理想選擇。
1 ESP904的主要特性
ESP904是B&B公司專為苛刻的工業環境應用而設計的VlinxTM ESP系列以太網串口服務器，該器件具有由IP30認證的輕巧堅固的金屬外殼，可支持TCP服務器、TCP客戶端、UDP、虛擬COM和配對(Pair) 模式， 并可自動偵測10/100Mbps以太網端口， 而且安裝便捷。它可以通過ESP管理器、Web和Telnet控制臺管理以進行遠程升級或恢復默認設置， 也可以對控制模式進行遠程手動管理， 并可通過LED指示燈提供快捷的運行狀態顯示。設計時， 可以通過軟件選擇RS-232、RS-422或者RS-485端口， 而且， 半/全雙工皆可。此外， ESP904還帶有局域網RJ45接口和串口DB9公頭接口， 可管理并支持多個TCP連接，也可為windows NT/2000/XP/VISTA提供虛擬COM驅動。
如果已經有一個串口設備， 并處于以太網局域網或廣域網中， 那么， 就可以用串口服務器與該串品設備相匹配。就好像控制室的計算機顯示設備直接連到.上一樣， 這樣， 不需要離開辦公桌就可以使其發揮更大功能， 甚至可以在局域網之外通過網絡進行故障診斷。ESP904 四端口以太網串口服務器提供有以太網到RS232RS422RS485的串口連接， 可通過局域網或廣域網使用直接IP模式、虛擬COM模式或者配對(Pair) 模式進行連接。
虛擬COM口模式使用ESP管理器軟件中的InstallVirtual COM來在windows 中安裝驅動程序，新的COM口會出現在計算機的Windows設備管理器中， 這樣就在局域網或者廣域網中的計算機和以太網串口服務器的IP地址間創建了一個虛擬的連接。Windows應用程序使用標準Windows API指令并通過這個虛擬連接來實現通訊， 從而與ESP904上一個端口的遠程串行設備相連以進行通訊。連接建立后， 局域網對程序和串口設備來說就是透明的， 這就好像這些串口設備與PC上的物理COM口直接連接一樣。虛擬串行端口軟件可將應用數據轉換為IP數據包， 并通過網絡發送到ESP904， ESP904又可以將IP數據包轉換為串行數據， 并把數據發送到ESP904上的串行端口。使用這種模式， ESP904必須設置為TCP服務器或者UDP服務器并指派通訊端*， 虛擬串口驅動的就是TCP或者UDP客戶端。
IP直連模式允許應用程序使用TCP/IP 或者UDP/IP套間字程序與以太網串口服務器上的串口直接建立連接。在這種應用中， 串口服務器被配置為TCP或者UDP服務器。運行在PC上的套間字程序可與串口服務器的IP地址建立通訊連接。服務器的串口可以直接發送和接收數據。當使用UDP協議時， 服務器就被配置為廣播數據來接收和發送來自多IP地址的數據。如果自己編寫應用方案， 一般推薦選擇這種連接模式。
配對(Pair) 模式也叫串行隧道模式， 在這個模式下， 串行數據被封裝在數據包中并通過以太網傳送。通過使用兩個以太網串口服務器和一個局域網， 任何兩個能夠用串口通訊的串行設備將都能夠使用ESP904和局域網進行通訊， 此時串行服務器可以自動處理網絡端通訊。在此模式中，有兩個ESP904服務器連接到網絡， 一個配置為TCP或者UDP客戶端， 另一個則為TCP/UDP服務器， 且這兩個串口服務器都用其對接設備的IP地址來編程。只要電纜長度適合你的局域網或廣域網的規模， 這種操作模式可以在任意兩個串口設備之間建立串口連接。
此外，ESP904以太網串口服務器的心跳連接保護功能也可以在虛擬串口模式或者串行隧道模式下為用戶提供穩定的通訊，ESP904以太網串口服務器的這個特征可以在系統掉電或者以太網連接丟失等原因造成臨時通訊丟失的情況下恢復連接。一般情況下，如果通訊中斷，串口服務器的心跳特征會每隔5秒鐘嘗試重新建立一次連接，直至連接恢復。如果沒有這一便捷功能，一旦設備失去連接，通訊中斷，就只有通過人工修復才能重新建立連接。
ESP904的管理器軟件也可為用戶提供完整的辦公桌管理功能，包括配置設備、固件升級以及監控活動狀態，其監控端口功能允許使用局域網或者廣域網中的任意一臺PC，來對網絡及連接到網絡中的設備進行實時監控、診斷，并顯示關聯硬件的通訊狀態。
2 ESP904以太網串口服務器的配置
ESP904提供有ESP管理器軟件、網頁服務器、控制臺模式和遠程登錄模式等4種不同的接口方式來配置以太網串口服務器，從而可以很方便地對ESP904的屬性進行配置或恢復默認設置，也可以對控制模式進行遠程手動管理。下面介紹怎樣通過ESP管理器對ESP904串口服務器進行設置。
安裝并運行VLINX ESP管理器可自動尋找并顯示網絡上所有ESP904串口服務器的名稱、IP地址、網絡協議、端*及端口狀態， 每個串口服務器對應四個串口端口， 雙擊ESP904管理器列表上的服務器屬性， 就會彈出圖1所示的對話框。
圖1 服務器屬性設置對話框
圖1所示的對話框中的服務器名稱(Server)用于給串行服務器指派最多由16個字符組成的名字， 以便區別局域網上的多個串行服務器， 當ESP 管理器在局域網中發現了串行服務器， 就會顯示串行名字和IP地址， 以允許用戶區別不同的串行服務器。
DHCP是局域網管理系統的一部分。DHCP域提供有兩個選擇：不使能和使能， 不使能是正常的或者缺省設置。當使能時ESP904發送DHCP請求到DHCP服務器，并要求分派動態IP地址、子網掩碼和網關給ESP904。如果DHCP在網絡上不可用， 則在10秒后，ESP904超時，但缺省值將保留。主服務器與客戶端之間的通訊軟件要求連接到一個具體的IP地址串口服務器。如果DHCP重新分派一個不同的IP地址， 軟件將不能夠與硬件通訊因此，推薦使用一個靜態的IP地址。一般在使用ESP904串口服務器時，其IP地址就已經分配好了，所以不需要使能DHCP。
ESP904上的串口波特率必須與連接設備的波特率相匹配，除非使用虛擬串口模式。在虛擬串口模式下， 軟件程序將建立串口設置。
網絡通訊協議的選擇要根據實際需要來確定使用TCP還是UDP協議。如果應用不要求UDP，就選擇TCP， 它能保證穩定的通訊并有差錯檢查;然而， UDP能提供更快的傳輸。但應注意，根據選擇TCP和UDP協議模式的不同，它們的一些參數設置選項也不同。
圖1對話框里允許用戶輸入2個ASCII字符來分割一條消息的開始和結尾，當一條包含這些分隔符的消息在串行端口被接收到時，在串行緩沖區所包含的數據將被打包為以太網數據包并發送到以太網端口。如果只有分隔符1被設置(分隔符2為0或者空)，ESP901/902收到分隔符1就將串行緩沖區的數據打包為以太網數據包，并發送到以太網端口。如果接收到的串行數據大于1KB，它將自動打包為以太網數據包并發送到以太網端口。
Force Transmit參數表示允許用戶設置數據傳輸之間的最大時間限制， 設置值乘以100 ms就是Force Transmit時間，當所*費的時間達到這個域配置的時間時，TCP/IP協議將在當前串行緩沖區打包數據并將其發送到以太網端口。
TCP/UDP 端口的缺省值為4000、4001、4002、4003，它們分別單獨對應串口服務器的端口1、2、3、4，如果端*屬性被修改， 那么，被安裝電腦的設備管理器虛擬COM口設置也將被改變。在直接IP 或者虛擬COM 操作模式中，ESP904菜單里的端*設置必須與虛擬COM或者套間字軟件端口設置相匹配。
服務器串行端口可根據需要配置為控制臺(Console) 模式、升級(Upgrade) 模式、缺省模式、RS232模式、RS422模式和RS485模式，用戶可以根據需要對端口進行配置。下面分別對各種操作模式進行介紹。
在控制臺模式，ESP904管理器軟件可從運行在PC上的超級終端與串口服務器進行通訊，PC通過串口線連接到服務器的端口1的232串口上。
由于PC為DTE設備，904串口配置為DTE (DB9)所以，必須使用交叉線。
在升級模式，更新的固件能通過串口從PC上傳到904的端口1 (端口1為RS-232串口)。也可以通過網絡連接， 用ESP管理器和虛擬串口與904端口1形成映射來進行升級，從而上傳新的固件到服務器。
在缺省模式，當服務器屬性更新時，所有的配置設置將返回到他們的缺省值。ESP904端口的缺省設置為： 端口1為控制臺模式， 端口2、3、4為RS-232模式。
RS232模式、RS422模式和RS485模式的選擇將服務器端口分別配置為RS232接口、RS422接口和RS485接口，當服務器被更新時， 服務器上選擇的端口將變成對應的接口。
3 ESP904在ROV控制體系中的應用
傳統的水下機器人內部數據通信系統是基于串行總線的通訊系統。但是， 隨著近年來以太網技術的快速發展， 特別是高速以太網技術的發展， 極大地減少了數據在網絡傳輸上的延遲， 而工業以太網交換機能夠把控制網絡分成若干個相互獨立的沖突域， 故可避免不同沖突域之間的節點因競爭線路而發生碰撞， 從而提高了數據在網絡中傳輸的可靠性和穩定性。因此， 在工業控制中， 越來越多的傳統現場總線控制網絡被工業以太網所代替， 并已發展成為一個技術趨勢。為此， 本文的HYSUB130 -4000 ROV (ROV， RemotelyOperated Vehicle) 系統在遙控水下機器人控制系統中也采用了光纖以太網通訊體系結構。
HYSUB130-4000 ROV系統除了較多的控制計算機接入到以太網網絡體系中外， 還有很多嵌入式控制模塊， 這些模塊只能提供串口通訊模式。為了能將這些嵌入式控制模塊接入到遙控水下機器人的以太網控制系統中， 本系統在開發過程中采用了以太網串口服務器ESP904， 它的串口轉以太網性能可以很好的解決這個問題。
HYSUB130-4000ROV系統的以太網控制體系如圖2所示。
圖2 ROV系統的以太網控制體系
本系統中的甲板控制計算機和ROV本體控制計算機是ROV控制系統里的主控制計算機， 是ROV系統的大腦和“指揮中心”， 其他計算機用于輔助管理視頻、導航數據、切換控制等操作。
4 小結
由于遙控水下機器人控制系統的慣性較大，其控制周期接近于秒級， 因此， 通過實踐證明，以太網數據傳輸能夠很好的滿足遙控水下機器人控制體系的控制性能， 而且可以通過交換機擴展以太網串口服務器， 同時在理論上還可以擴展任意多串口設備， 因而可以使更多設備通過網絡進行通訊， 并為設備的擴展提供了更大的接口空間。
除此之外， HYSUB130-4000ROV系統還采用了ESP904以太網串口服務器來將眾多嵌入式控制模塊接入以太網。甲板串口服務器ESP904連接ROV本體遠程控制模塊、駕駛員操縱桿控制模塊、7功能機械手操縱桿控制模塊和電源分配單元控制模塊， 它們通過RS-485總線連接到ESP904服務器的串行端口。水下ROV本體串口服務器ESP904連接CTD傳感器、遠程I/O控制模塊、采樣藍控制模塊和工具閥箱控制模塊， 它們分別根據需要通過RS-232或者RS-485總線連接到ESP904的串行端口上， 這樣就可以使以太網控制系統中的任何一臺計算機都通過以太網像訪問真正的串口設備一樣去訪問分別連接到ESP904串口服務器上的設備。