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RS-232分配器、集线器、HUB、232共享器、带地址的232分配器以及RS-232切换器的区别

( 关键字:RS-232分配器、232集线器HUB、232共享器、带地址的232分配器、通道可编程的232分配器、智能型232分配器、RS-232切换器 )
( 注:以下所说的所有RS-232通讯都是指三线RS-232通讯 )

    随着工业串口通讯行业的不断发展,厂家不断推出适合用户应用的各种新产品。以RS-232相关通讯产品为例,针对RS-232的分配和扩展以及切换等各种应用,目前世面上出现了RS-232分配器、RS-232集线器HUB、232共享器、通道可编址的RS-232分配器、以及RS-232切换器等等各种不同叫法的产品。这些产品的外型、功能以及接口定义等都有很多相似之处,再加上不同厂家对产品的定义和叫法也各有不同,而且行业里也确实没有一个统一的命名标准,导致用户在选择和使用这些产品时,难免会感到迷茫和困惑。

    下面结合北京异特路智能通讯科技有限公司的相关产品以及多年来从事串口通讯的经验来向广大用户举例说明以上这些产品如何分类以及在名称和功能和上都有那些不同。
    首先我们把1个RS-232设备与多个232设备之间进行的通讯应用分成如下2个大类,既:通道不可控型和通道可控型。

1、通道不可控型
    也就是普通232分配器,将一个RS-232口简单的分成多个RS-232口。这类产品在行业里最常用的叫法为232分配器,也有叫232集线器、HUB或共享器的。这类产品比较简单,就是将1路232分成多路232(2路、4路、8路或16路等等),或者说将1个232主口分成多个232从口,如1分4、1分8、1分16等,也有叫1拖4、1拖8、1拖16等等。如异特路公司的IR-1325为1分4分配器,IR-1326为1分8分配器,IR-1327为1分16分配器。
    这类产品的通讯特性可简单描述如下:当有数据从主232口输入分配器后,该数据会在分配器内部广播到所有的从口(或下行口),从而该数据会同时从所有的下行口输出,可以简单的说为1进多出。但反过来就有点不同了,当有数据从某个从口输入时,在分配器内部该数据只传输给主口,而不会传输给其它从口,可以简单的说为1进1出。用户可以这样记,对于232分配器来说,其数据传输特性为“正向一对多,反向一对一”。如图1.1和图1.2所示为1分4路分配器的传输特性。

      
图1.1 分配器正向传输特性                   图1.2 分配器反向传输特性

    上述的通道不可控型分配器也叫普通RS-232分配器是目前行业里应用最多的分配器,大多数厂家生产的分配器、集线器或HUB都是指上面说的这种分配器。对于这种分配器来说,用户无法控制从主口输入的数据流向,当主口有数据输入时,数据通过分配器的主口后会强制广播到所有从口并从所有从口输出,用户不能指定数据具体流向某个具体的从口。
    那么这类普通型的232分配器都应用在那些场合呢?对RS-232有一定了解的人都知道,RS-232是点对点通讯的,也就是说RS-232只能联结一个主设备和一个从设备,不能象RS-485那样实现一主多从式的总线式连接。但有些时候恰好就要求实现1个232设备与多个232设备之间的通讯。比如:当计算机要通过232口将数据同时发送到多个232设备,且这多个232设备只接收从计算机发来的数据,而不返回数据给计算机,那么此时就可以直接用普通型分配器轻松实现。再比如:当用户的设备接口是232的,而且设备还是可以设地址的(这种情况虽然不常见,但还是有的),如果用户想实现通过计算机与多个这样的设备通讯的话,那么普通型232分配器是最好的选择。此时计算机通过普通分配器与多个带地址的232设备连接,计算机发出的命令或数据都是带有地址信息的,这些命令或数据由计算机发出后经过分配器后会广播到所有的从口,所有232设备(每个232设备都与一个从口连接)都会接收到主机发来的命令,但只有地址匹配的设备才会作出响应。这其实与RS-485通讯是非常相似的。

    有些用户会问,当2个或多个从口同时有数据上传时会怎么样呢?对于异特路公司的普通型分配器来说,所有从从口输入的数据在分配器内部都要经过一个与逻辑的门电路进行“汇聚”,然后再传输到主口。当多个从口在同一时刻有数据输入时,这多路数据通过内部“汇聚”后将产生乱码,这就好比同时有2个或多个人说话,听的人很难听清说的是什么一样,显然在实际应用时用户要避免出现这种情况。因此用户在设计基于RS-232的单主多从模式的通讯系统时要避免出现这种“混乱”的状况。用户可仔细研究上面举的2个例子,这2个例子都不会出现这种“同时说话”的情况。这里要强调一点,RS-232终究是一个非常简单的通信形式,即便是采用分配器这样的设备也无法有效避免“多路同时上传”产生的冲突。如果用户要实现类似的通讯模式的话,那么可以考虑CAN总线(可以很好的避免总线冲突,实现多主模式通讯)和以太网,它们的功能要强大的多,当然也更复杂。
    那么,有没有能够解决“多路同时上传”问题的RS-232设备呢?这个问题可以这样说如果想做当然是可以做出来的,但这样的设备肯定非常复杂(必须具备象以太网交换机那样的存储转发模式)和昂贵,而且用户需要在应用软件上做大量的修改工作,这显然非常麻烦。既然用户当时选择了RS-232通讯,一定是看中了232的简单和低成本,那为什么又采用这种复杂且高成本的解决方案呢?

    另外,对于232分配器来说还有下行口数量和是否隔离以及隔离方式等指标。以下行口数量为例,常见的有1分4、1分8、1分16的。当然下行口的数量没有标准,厂家可以将产品设计成任意数量的下行口,如1分3,1分5、1分10的等等。而对于隔离这个指标,大多数232分配器都是不带隔离的,而带隔离的还分两大类---主从隔离和全隔离。由于隔离功能只是对设备通讯口起到安全和保护作用,与分配器的数据传输特性并没有直接的关系,以1分8路分配器为例,普通型的(不带隔离)、主从隔离型的和全隔离型的这三种分配器的传输特性是一样的。关于隔离的更多内容请用户参考其它相关资料,在这里就不多介绍了。

    还有一个要说的是,目前市面上还有不少多入多出的232分配器设备,比如2路分4路、4路分8路、2路分8路等等。这些232分配器产品的最大特点是主端不只有一个主口而是多个,而且有些主口还被设计成了RS-485接口。这些分配器与上述普通型分配器又有什么不一样呢?其实,这些产品在内部的数据传输机制上都是差不多的。以2路分4路为例,其内部等同于一个1分2分配器与一个1分4的分配器主口与主口相连产生的效果。如图2所示:


图2 2分4路分配器内部等效结构

    这类分配器的数据传输特性用户可以结合上述的1分多路分配器的传输特性自行分析。对于有些产品的主口被设计成RS-485或RS-422的情况,其实这只是接口电气特性不同了,其分配器的传输特性还是一样的。


2、通道可控型

    顾名思义,这类232分配器内部的数据流向是用户可控的。比如当有数据从主口输入时,用户可以控制或指定这些数据传输到某个(或某几个)具体的从口而不传输到其它从口。那么用户是如何控制数据的流向或通道的开关状态呢?根据对数据流的控制方式的不同,异特路公司对产品进行了如下分类,分为硬件控制型和软件控制型两大类,而软件控制型又分单通道型和双通道型两种,如图3所示为。


图3 分配器分类

    下面向用户一一介绍各种类型的分配器的特点、使用方法以及彼此间的区别。

 2.1 硬件控制型分配器

    其实硬件控制型分配器的行业普遍叫法为232切换器或共享器。图4.1和图4.2是比较常见的1分2路和1分4路232切换器。

      
图4.1 1分2路切换器                          图4.2 1分4路切换器

    硬件控制型切换器的最大优点是结构简单价格便宜。在其内部只有简单的电线和开关连接各个接口而没有任何的电子元器件。而价格上以最常见的4路232切换器为例,一般电子市场的价格也就几十块钱。但该切换器也有一些缺点,就是寿命短路数少。首先由于其通道的切换控制要通过位于产品外壳上的物理按钮进行,而物理按钮的使用寿命普遍比较短,一般的也就不到一万次。另一方面,由于受物理按键自身结构和电气特性的限制,一般的232切换器的下行通道数量不会太多,因为太多对信号会有比较大的影响,一般最多也就2路和4路,再多对信号影响就比较大了。还有,由于对通道的控制需要用户手动控制按钮来进行,对于用户来说多少显得有些笨拙。如果切换动作也能够象软件那样在计算机上用鼠标完成就更方便了。这就是我们下面马上要讲到的软件控制型分配器。

 2.2 软件控制型分配器

    如上所述,软件控制型分配器分为两类:单通道型和双通道型。为了让用户能更好的理解,我们首先介绍双通道型。

  2.2.1 双通道软件控制型分配器

    双通道软件控制型分配器也叫双通道软件控制型切换器。这类切换器与上面介绍的硬件控制型切换器相比的主要区别就在于对通道的切换控制方式上。双通道软件控制型切换器上没有象硬件控制型切换器上的那些用于控制每个通道的切换按钮,而是采用一个专门的RS-232控制口来实现控制。如图5所示为一个典型的1分4软件控制型分配器的外部接口示意图:


图5 1分4双通道软件控制型分配器外部接口

    实际使用时,用户需要将该控制口与计算机的232口相连,同时还需要在计算机上运行一个与该切换器匹配使用的切换器软件。以异特路公司的16路产品IR-1327S为例,IR-1327S是一款1分16路的232双通道软件控制型切换器,其匹配的软件为S16.exe,其界面如图7所示。在实际使用IR-1327S时,用户需要先将计算机上的232口与IR-1327S上的控制口相连,如图6所示,然后再在计算机上运行S16.exe软件。S16.exe软件运行后用户需要在软件里先打开与IR-1326S的控制口相连的计算机串口,比如COM2。当该串口成功打开后就可以通过S16.exe软件窗口上的单选按钮控制切换器各通道的开闭状态了,如图7所示。

    
              图6 16路双通道软件控制型分配器IR-1327S的应用示意图           图7 切换器软件S16.exe的界面

    由于在双通道软件控制型分配器的主口端除了一个通讯主口外还有一个用于控制通道切换的控制口,也就是有2个口,这就是为什么我们称其为双通道的原因。
    另外,由于232切换器在实际使用中主口大多数时候都是要接计算机的,因此这类分配器在实际使用时也往往要求用户的计算机上要有至少2个232串口,一个用于通讯,一个用于控制。就象图6所示那样。

    还有一点需要说明,双通道软件控制型分配器也是可以编程的,就是说用户可以自己编写一个基于串口通讯的应用软件通过向切换器的控制口发送命令来控制通道的切换。但由于厂家随产品已经附带了计算机端的切换控制软件(如IR-1327S的计算机端控制软件为S16.exe),因此,这类产品的通道控制命令厂家是不对用户公开的,用户也没必要知道这些控制命令,直接使用厂家提供的软件即可。当然,如果用户想自己编程来实现切换操作也可以,这需要向厂家提出要求,由厂家提供相关控制命令的详细说明即可。

  2.2.2 单通道软件控制型分配器

    如上所述,双通道软件控制型分配器的主端有2个232口,一个是主口,一个是用于控制通道切换的控制口。在实际应用中往往要求用户的计算机上有至少2个232口,有些时候这多少显得有些不方便。而且,如果用户的计算机上只有一个232口该怎么办呢?另外,在有些应用中要求主机能快速的与下面的多个232设备通讯和交换数据,这就需要切换器长时间的快速的不停的做切换动作,而且还不能丢失数据。由于切换动作快速而频繁,显然双通道软件控制型分配器就有点力不从心了。因为双通道软件控制型分配器说到低还是需要由用户手动控制通道切换的(既由用户通过鼠标操作切换器软件手动进行控制),显然人工操作不但速度慢,而且由于主口和控制口是两个相互独立的通讯口,很难实现彼此间的同步,于是单通道软件控制型分配器就应运而生了。

    单通道软件控制型分配器也叫单通道软件控制型切换器。异特路公司也称其为带地址的232分配器、通道可选或通道可编址的232分配器或智能型232分配器。之所以叫“单通道”,是因为这种分配器将主通讯口和控制口合在一起了。如图8所示为4路单通道软件控制型分配器的外部接口示意图:


图8 单通道软件控制型分配器接口

    可以看到单通道软件控制型分配器在外部接口方面与普通型分配器没有什么明显的区别。
    单通道软件控制型分配器可以很好的解决上述的快速和频繁切换通道时带来的问题,但也为此付出了牺牲,那就是对于这类分配器产品用户要使用必须要自己编程才行,也就是说这类产品是不能拿来就用的。
    在使用这类分配器产品时计算机与多个232设备间的数据传输以及对切换器的控制命令都要经过主口进行。图9可以帮助用户很好的理解这类分配器的内部工作原理。


图9 4路单通道软件控制型分配器的内部工作原理

    用户如果要使用这类分配器必须对图9有一个很好的理解才行。

    在向用户讲解单通道软件控制型分配器的使用方法前,用户还要首先了解关于通道可控型分配器的如下相关概念---通道、通道地址。

[通道]:通道就是指分配器的主口与某个具体从口之间的数据通路。比如,如果说通道1导通,则说明主口与从口1之间是通的,可以传输(发送/接收)数据;如果通道1关闭了,则说明主口与从口1之间不能传输数据了。如果说某通道是导通的,也可以说成某从口是导通的。对于通道可控型分配器来说,用户可以使其同时有多个通道打开或关闭。
    在硬件控制型分配器中的通道要通过位于切换器外部的物理按钮来手动实现打开或关闭。
    在双通道软件控制型分配器中的通道要由计算机通过232口向分配器的控制口发送命令的方式打开或关闭。
    在单通道软件控制型分配器中的通道是由计算机通过232口向分配器的主口发送命令的方式打开或关闭的。

[通道地址]:通道地址就是为每个通道指定的编号。对于软件控制型分配器来说,由于通道的切换动作需要由计算机通过232口向分配器发送命令来实现,那么分配器是如何根据命令知道要操作哪个通道呢?这就需要通道地址了。就是说在通道控制命令中包含有要控制通道的地址信息。

    下面我们结合图9大致为用户讲解一下单通道软件控制型分配器的工作原理和使用方法。
    如图9所示,在分配器内部有一个微控制器(MCU),MCU不停的监测主口端输入的数据是否为通道切换命令。如果不是通道切换命令,则MCU不产生任何动作(此时这些数据会自动通过已经打开的通道从对应的从口输出)。如果是通道控制命令,则根据命令以及命令中指定的通道地址对各通道进行相应的控制(打开/关闭)操作,而且还可以同时控制多个通道。
    如图9,假设分配器各通道的当前状态为从口1导通,其它从口关闭。此时从主口输入的任何数据,无论是切换命令还是主机发给232设备的数据都会发送到从口1,而不会发送到其它从口。现在,如果主机有一批数据要发送到从口2,且只发送到从口2,该怎么办呢?为此,主机需要先发送一个通道切换命令,该命令执行后将打开通道2同时关闭通道1、3和4。由于是通道控制命令,该命令会立刻被MCU检测到,并立刻执行。命令被成功执行后,4个从口中只有从口2是导通的。此时,主机就可以通过主口与从口2间自由的收发数据了。如果分配器此后没有再收到任何通道切换命令的话,从口2将一直保持导通状态,其它从口也将一直保持关闭。

    细心的用户可能会发现一个问题,就是在上面的例子中,主机要与从口2通讯前要先发送一条切换命令,但此命令发送前通道1是导通的(如图9所示),那么这条切换命令发送后不就发送到从口1去了吗?而如果此时从口1有232设备联接的话,那该设备不就收到这条切换命令了么?没错,确实会发生这种情况,而且这种情况在每次发送通道切换命令时都会发生。首先,对于单通道软件控制型分配器来说,这种情况是无法避免的(双通道软件控制型分配器就不存在这个问题)。现在的问题是,发生这种情况后会产生什么后果?这就要看与分配器从口连接的232设备收到这个切换命令时会产生什么样的反应了。可能产生的反应情况如下:

情况1:当232设备遇到不认识的命令或数据时,采用忽略的做法,此时可以放心大胆的使用单通道软件控制型分配器。
情况2:当232设备遇到不认识的命令或数据时,会采取一些如报警等类似动作,此时单通道软件控制型分配器将无法使用。
情况3:通道切换命令恰好与232设备的某个命令一样,会被232设备识别并产生动作,此时单通道软件控制型分配器将无法使用。

    对于大多数RS-232设备来说,当232口接收到未知数据(或命令)时会将其视为乱码或错误数据而采取忽略的做法,就象情况1那样,如果是这种情况就可以使用。否则,象上面的情况2和3那样,可能就无法使用了。上面的情况2有时可能会有,但情况3就比较罕见了。

    通过上面的讲述,想必用户一定对单通道软件控制型分配器的通道控制原理以及使用有了一个基本和初步的认识。那么有些用户一定会问,这类分配器都用在那些场合呢?这里举一个最典型和常见的应用。
    比如,用户想编写一个计算机端的基于串口通讯的应用软件,该软件要与某个厂家的某型号的多台仪表(都是232接口)进行通讯。现在有一个问题,这些232接口的仪表在当初设计时,都是单机通讯的,既计算机通过串口只能与一台这样的设备通讯。也就是说这些仪表都是不能设地址的。(其实这并不稀奇,因为大多数以RS-232作通讯口的设备都是不能设地址的。而能设地址的那是极少数,用前面讲到的普通型分配器即可)此时,用单通道软件控制型分配器是最好的选择。
    

    用户要使用单通道软件控制型分配器要有至少3个重要的前提条件,如下:
一、是要能够自己编程,既编写基于串口通讯的应用程序;
二、与分配器从口连接的所有232设备对通道切换命令的处理符合上述情况1。
三、要对此类分配器的工作机理有深刻的理解。

    上面讲述的是单通道软件控制型分配器的工作原理。其实,对于异特路公司的单通道软件控制型分配器,如IR-1326P(8路)和IR-1327AP(16路)来说还有其它一些功能,比如动态编址、单播和广播命令、常开通道以及通过多台分配器级联方式扩展更多从口等等。这些更多的功能将使产品具有更强大的功能以适应更多的应用。这些内容用户可以参考这些产品的电子文档,里面有如何使用这些产品,以及与编程相关的控制命令方面的非常详细的描述。

    由于这类分配器的使用相对较复杂,涉及的内容也较多。如要详细了解这类产品的使用可以参考异特路公司的IR-1326P(8路)和IR-1327AP(16路)。详细内容可到公司网站下载相关产品的使用说明。公司网制为www.itrob.com.cn或www.itrob.cn。

    最后还要说明,在使用寿命方面,与硬件控制型分配器相比,软件控制型分配器要有明显的优势。以IR-1326S为例,其内部对232通道的切换采用门电路实现,理论开关寿命几乎没有限制。

    以上就是对当前市场上种类繁多的以及各种叫法的232多路通讯设备的简单讲解,希望对广大用户能有所帮助。



北京异特路智能通讯科技有限公司 技术部
2014年11月12日

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