CN105515927A - 基于以太网Cat.5布线架构的远距离串口通信系统及方法 - Google Patents

基于以太网Cat.5布线架构的远距离串口通信系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于以太网Cat.5布线架构的远距离串口通信系统及方法,涉及串口通信技术领域。该串口通信系统包括主控端和与主控端进行串口通信的受控端,主控端与受控端均包括UART/RS232通信接口、差分驱动芯片和RJ45网络接口,UART/RS232通信接口通过差分驱动芯片与RJ45网络接口的第4、5、7、8管脚连接,该差分驱动芯片用于将UART/RS232通信接口的两路信号分别转换为两对差分信号,并将两对差分信号一一对应地传输到RJ45网络接口的第4、5、7、8管脚上;且主控端的RJ45网络接口与受控端的RJ45网络接口通过Cat.5标准网线连接。本发明能实现远距离的串口通信,且使用局限性小、抗干扰性强、稳定可靠。

Description

基于以太网Cat.5布线架构的远距离串口通信系统及方法
技术领域
[0001]本发明涉及串口通信技术领域,具体来讲是一种基于以太网Cat.5(超五类网络传输线)布线架构的远距离串口通信系统及方法。
背景技术
[0002] UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,通用串行数据总线)是一种用于异步通信的串行数据总线。由于UART通信技术可以实现全双工传输和接收,因此被广泛用于计算机、设备及芯片之间的相互通信,可实现信息交互、设备控制、设备调试等用途;是数据通信基础协议之一,具有用途广泛而又不可替代的特性。
[0003]为适应不同环境下UART的应用需求,当前主要的UART通信传输技术有以下三种:
[0004] (I)专用线缆连接技术:通过专用的RS232通信线缆,来连接通信设备、PC或芯片,以实现信息交互。该技术虽然简单易行,但易受干扰,传输距离受限,最大传输距离不超过15米,无法实现远距离通信。
[0005] (2)无线UART/RS232串口通信技术:例如RF无线串口、WIFI无线串口、蓝牙无线串口等。该技术需在发送端及接收端分别安装一个RF/WIFI/蓝牙UART/RS232串口通信芯片,通信设备、PC、芯片的串口对接无线收发模组串口,由模组转换成无线信号,再经接收端接收解调,还原UART交互信息,从而实现UART信息交互。该技术虽然可适用于10〜300米左右的通信传输,但是因收发模组一般需配对使用,从而使得通用适配性差,且无线通信也极易受电磁干扰或物体遮挡而信号中断,稳定性差,因此只可在特定条件下使用,具有明显的使用局限性。
[0006] (3)Telnet(网络远程登录服务)协议登录技术= Telnet协议是TCP/IP协议族中的一员,是Internet远程登陆服务的标准协议和主要方式。它为用户提供了在本地计算机上完成远程主机工作的能力。终端使用者可以在telnet程序中输入命令,这些命令会在服务器上运行,就像直接在服务器的控制台上输入一样,可以在本地就能控制服务器,从而实现远程UART/RS232串口通信。该种技术虽然不受传输距离的限制,但是要求设备必须支持Telnet协议,并且在通过Telnet协议远程登录服务器时,协议进程不可终止,对系统的使用要求较高,也具有一定的使用局限性。
发明内容
[0007]本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足,提供一种基于以太网Cat.5布线架构的远距离串口通信系统及方法,能实现远距离的串口通信,且使用局限性小、抗干扰性强、稳定可靠。
[0008]为达到以上目的,本发明提供一种基于以太网Cat.5布线架构的远距离串口通信系统,包括主控端和与主控端进行串口通信的受控端,所述主控端与受控端均包括UART/RS232通信接口、差分驱动芯片和RJ45网络接口,UART/RS232通信接口通过差分驱动芯片与RJ45网络接口的第4、5、7、8管脚连接,所述差分驱动芯片用于将UART/RS232通信接口的两路信号分别转换为两对差分信号,并将两对差分信号一一对应地传输到RJ45网络接口的第
4、5、7、8管脚上:所述两路信号为接收数据信号UART_RXD、发送数据信号UART_TXD,所述两对差分信号中的一对为接收正极信号UART_RX+和接收负极信号UART_RX-,另一对为发送正极信号UART_TX+和发送负极信号UART_TX-;且主控端的RJ45网络接口与受控端的RJ45网络接口通过Cat.5标准网线连接。
[0009]在上述技术方案的基础上,所述差分驱动芯片包括8个管脚:第I管脚为电源管脚VCC;第2管脚为接收数据管脚RXD;第3管脚为发送数据管脚TXD;第4管脚为信号地管脚GND;第5管脚为发送正极信号UART_TX+管脚;第6管脚为发送负极信号UART_TX-管脚;第7管脚为接收负极信号UART_RX-管脚;第8管脚为接收正极信号UART_RX+管脚。
[0010]在上述技术方案的基础上,所述主控端的RJ45网络接口的第4管脚为接收正极信号UART_RX+管脚,与差分驱动芯片对应的第8管脚连接;第5管脚为接收负极信号UART_RX-管脚,与差分驱动芯片对应的第7管脚连接;第7管脚为发送正极信号UART_TX+管脚,与差分驱动芯片对应的第5管脚连接;第8管脚为发送负极信号UART_TX-管脚,与差分驱动芯片对应的第6管脚连接。
[0011]在上述技术方案的基础上,所述受控端的RJ45网络接口的第4管脚为发送正极信号UART_TX+管脚,与差分驱动芯片对应的第5管脚连接;第5管脚为发送负极信号UART_TX-管脚,与差分驱动芯片对应的第6管脚连接;第7管脚为接收正极信号UART_RX+管脚,与差分驱动芯片对应的第8管脚连接;第8管脚为接收负极信号UART_RX-管脚,与差分驱动芯片对应的第7管脚连接。
[0012]在上述技术方案的基础上,所述差分驱动芯片的第5、6、7、8管脚各外接有终端电阻。
[0013]在上述技术方案的基础上,当UART/RS232通信接口为RS232信号接口时,所述RS232信号接口与所述差分驱动芯片之间设置有具有RS232转UART功能的芯片,所述芯片用于将RS232信号接口输出的发送数据信号RS232_TX、接收数据信号RS232_RX信号,转换成发送数据信号UART_TXD、接收数据信号UART_RXD,然后再将转换后的信号发送至差分驱动芯片。
[0014]在上述技术方案的基础上,所述差分驱动芯片采用SP3077E芯片;所述Cat.5标准网线支持标准直连或交叉线序。
[0015]在上述技术方案的基础上,所述UART/RS232通信接口采用接插件或是PCB走线的方式与差分驱动芯片连接。
[0016]本发明还提供一种应用上述串口通信系统的基于以太网Cat.5布线架构的远距离串口通信方法,包括以下步骤:
[0017] S1:将主控端的UART/RS232通信接口的两路信号:接收数据信号UART_RXD、发送数据信号UART_TXD,分别转换为两对差分信号:接收正极信号UART_RX+、接收负极信号UART_RX-;发送正极信号UART_TX+、发送负极信号UART_TX-;
[0018] S2:将两对差分信号——对应地传输到主控端RJ45网络接口的第4、5、7、8管脚;再通过Cat.5标准网线将两对差分信号传输至受控端的RJ45网络接口的第4、5、7、8管脚;
[0019] S3:将受控端接收到的两对差分信号转换成对应的接收数据信号UART_RXD、发送数据信号UART_TXD,并将转换后的信号传输至受控端的UART/RS232通信接口,从而实现串口通信。
[0020]本发明的有益效果在于:
[0021 ]本发明通过差分驱动芯片能将UART/RS232通信接口的接收数据信号UART_RXD、发送数据信号UART_TXD转换为两对差分信号,然后利用RJ45网络接口中两对闲置的管脚(4、
5、7、8)将两对差分信号通过Cat.5网线传输至远程的另一端,并与另一端具有同原理功能的受控端对接,进而实现远距离的串口通信。与现有技术相比,本发明无需专用线缆单独布线,无需安装RF/WIFI等专用无线设备,也无需要求设备必须支持Telnet协议,充分利用了现有的Cat.5网络布线架构,与网络通信共用RJ45网络接口,能在标准Internet通信网络的布线条件下,实现远距离的串口通信,具有直接可使用Internet标准Cat.5布线架构的连接方式简易性,不但通用适配性好,而且抗干扰性强、稳定可靠。
附图说明
[0022]图1是本发明实施例中基于以太网Cat.5布线架构的远距离串口通信系统的框图;
[0023]图2是本发明实施例中差分驱动芯片的电路原理图;
[0024]图3是本发明实施例中主控端RJ45网络接口的线序图;
[0025]图4是本发明实施例中受控端RJ45网络接口的线序图。
具体实施方式
[0026]下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
[0027] IEEE802.3i/u规范定义了 10/100MbpS传输网络采用2对双绞线进行信息传输,也就说我们通常所用的Cat.5网线中,只用到了其中的2对双绞线(1、2、3、6),而另外两对双绞线(4、5、7、8)是闲置状态的。而本发明,就是刚好利用了这两对闲置的双绞线(即利用对应的町45网络接口的第4、5、7、8管脚),来实现基于现有0&丨.5网络布线架构的远程1^1^/RS232串口通信的物理线缆连接。由于利用了现有的Cat.5网络布线架构(已大规模使用),因此,本发明无需单独布线,通用适配性好,使用局限性小,且稳定可靠。但需说明的是:本方案只适用与IEEE802.3i/u定义的10/100Mbps网络接口共用,与IEEE802.3Z定义的1000Mbps网络接口不兼容(如非共用网线连接,则无此问题)。
[0028]参见图1所示,本发明实施例提供一种基于以太网Cat.5布线架构的远距离串口通信系统,包括主控端和与主控端进行串口通信的受控端,主控端作为UART/RS232串口主要控制器,是串口命令或参数的主要发出方(例如:PC机、控制台等),受控端作为UART/RS232串口被动控制器,是串口命令或参数的主要接收方(例如:前端设备、显示终端等)。其中,主控端与受控端均包括UART/RS232通信接口、差分驱动芯片和RJ45网络接口,UART/RS232通信接口通过差分驱动芯片与RJ45网络接口的第4、5、7、8管脚连接,该差分驱动芯片用于将UART/RS232通信接口的两路信号(接收数据信号UART_RXD和发送数据信号UART_TXD)分别转换为两对差分信号(一对为接收正极信号UART_RX+和接收负极信号UART_RX_;另一对为发送正极信号UART_TX+和发送负极信号UART_TX-),并将两对差分信号一一对应地传输到RJ45网络接口的第4、5、7、8管脚上;且主控端的RJ45网络接口与受控端的RJ45网络接口通过Cat.5标准网线连接,该Cat.5标准网线支持标准直连或交叉线序。本实施例中,UART/RS232通信接口采用接插件或是PCB走线的方式与差分驱动芯片连接。
[0029]具体来说,参见图2所示,所述差分驱动芯片包括8个管脚:第I管脚为电源管脚VCC;第2管脚为接收数据管脚RXD;第3管脚为发送数据管脚TXD;第4管脚为信号地管脚GND;第5管脚为发送正极信号UART_TX+管脚;第6管脚为发送负极信号UART_TX-管脚;第7管脚为接收负极信号UART_RX-管脚;第8管脚为接收正极信号UART_RX+管脚。实际使用时,为了改善信号质量,提高通信稳定性,可在差分驱动芯片的第5、6、7、8管脚各外接终端电阻(如图2中的1?1、1?2、1?3、1?4、1?5和1?6),且每个管脚外接的终端电阻之和为100 0〜120 0。更进一步地,为了增强差分信号的可靠性,可在差分输出端,即差分驱动芯片的第5、6、7、8管脚中的至少一个的外端增设防雷电器件/防静电电器件/电压钳位电器件等,以获得更好的接口保护。本实施例中,所述差分驱动芯片采用SP3077E芯片,其具有高达16Mbps的数据传输速率,土 15KV的ESD防护能力,独立收、发两个通道,特有自动中断机制,能满足UART/RS232全双工数据信号差分传输的所有技术指标要求。
[0030]参见图3所示,本发明对作为主控端的RJ45网络接口的第4、5、7、8管脚进行了重新定义,具体来说:主控端RJ45网络接口的第4管脚为接收正极信号UART_RX+管脚,与差分驱动芯片对应的第8管脚连接;第5管脚为接收负极信号UART_RX-管脚,与差分驱动芯片对应的第7管脚连接;第7管脚为发送正极信号UART_TX+管脚,与差分驱动芯片对应的第5管脚连接;第8管脚为发送负极信号UART_TX-管脚,与差分驱动芯片对应的第6管脚连接。而对于主控端RJ45网络接口的第1、2、3、6管脚未进行重新定义(第I管脚为TX_P管脚;第2管脚为TX_N管脚;第3管脚为RX_P管脚;第6管脚为RX_N管脚),这四个管脚作为正常的网络通信端口与网卡芯片连接。
[0031]由于主控端的两对差分信号与受控端的两对差分信号需交叉对接才能正常通信,因此,参见图4所示,本发明对作为受控端的RJ45网络接口的第4、5、7、8管脚进行了重新定义,具体来说:受控端RJ45网络接口的第4管脚为发送正极信号UART_TX+管脚,与差分驱动芯片对应的第5管脚连接;第5管脚为发送负极信号UART_TX-管脚,与差分驱动芯片对应的第6管脚连接;第7管脚为接收正极信号UART_RX+管脚,与差分驱动芯片对应的第8管脚连接;第8管脚为接收负极信号UART_RX-管脚,与差分驱动芯片对应的第7管脚连接。而对于受控端RJ45网络接口的第1、2、3、6管脚依旧作为正常的网络通信端口与网卡芯片连接。
[0032]另外,当UART/RS232通信接口为UART信号接口时,由于其输出信号直接为接收数据信号UART_RXD、发送数据信号UART_TXD,因此可直接与差分驱动芯片连接;当UART/RS232通信接口为RS232信号接口时,则需增设一个具有RS232转UART功能的芯片,S卩RS232信号接口输出的发送数据信号RS232_TX、接收数据信号RS232_RX信号,通过所述芯片转换成发送数据信号UART_TXD、接收数据信号UART_RXD,然后再经差分驱动芯片分别转换成两对差分信号。实际操作时,所述具有RS232转UART功能的芯片可选择为MAX3232E芯片。
[0033]本发明实施例还提供一种应用上述串口通信系统的基于以太网Cat.5布线架构的远距离串口通信方法,包括以下步骤:
[0034] S1:将主控端的UART/RS232通信接口的两路信号:接收数据信号UART_RXD、发送数据信号UART_TXD,分别转换为两对差分信号:接收正极信号UART_RX+、接收负极信号UART_RX-;发送正极信号UART_TX+、发送负极信号UART_TX-;
[0035] S2:将两对差分信号——对应地传输到主控端RJ45网络接口的第4、5、7、8管脚;再通过Cat.5标准网线将两对差分信号传输至受控端的RJ45网络接口的第4、5、7、8管脚;
[0036] S3:将受控端接收到的两对差分信号转换成对应的接收数据信号UART_RXD、发送数据信号UART_TXD,并将转换后的信号传输至受控端的UART/RS232通信接口,从而实现串口通信。
[0037] 本发明利用了0&15网线中两对闲置的双绞线(4、5、7、8)以及耵45网络接口中对应的两对闲置的管脚(4、5、7、8),能在完成基本的网络通信的条件下,实现远距离的串口通信,不但无需单独布线,通用适配性好,而且Cat.5架构的抗干扰性强、稳定可靠。
[0038]因本设计是与网络通信共用RJ45网络接口,因此如何避免对网络通信端口的正常业务产生影响,是本设计重点考虑因素。
[0039]对实际生活中与本方案可能冲突的应用场景进行测试,其测试结果如下:
[0040] (I) 10/100M网口接入到100/1000M交换机网口,经过实际测试,此情况下,设备能正常link到10/100M模式,网络通信正常,通过对另一端1000M网口变压器对应线圈温升及输出电压监测,也与其它线圈组参数一致,证明UART差分信号对于1000M网口来说,是安全而且无干扰的植入信号。
[0041 ] (2) 10/100M网口接入到带POE功能的网络交换机设备,经过实际测试,交换机POE功能未被开启,对交换机POE组件也无任何损害,证明此设计也不会干扰到POE功能的正常使用(需要注意的是,本设计与POE在同一 RJ45网口上,不可并存)。
[0042]对于传输距离进行测试,其测试结果如下:
[0043] 实验采用了 115200、38400,9600、2400四种较常用的波特率来做测试,实验结果如下:
[0044] 115200波特率可稳定通信的距离:120米;
[0045] 38400波特率可稳定通信的距离:260米;
[0046] 9600波特率可稳定通信的距离:550米;
[0047] 2400波特率可稳定通信的距离:1050米。
[0048]以上测试数据证明,本设计方案可实现UART/RS232串口传输的最大距离可达1000米,具有真正意义上的远距离串口通信用途。考虑与网络通信数据共用传输线,受普通网线最大传输距离100米的长度限制,本设计方案通常应用通信距离在100米以内,但如果串口终端是光纤传输设备,则可将传输距离理论上无限延长。
[0049]综上所述,本发明实现了一种基于以太网Cat.5布线架构的远距离(传输距离最大可达1000米)串口通信技术,其具有传输距离远、抗干扰、电路简洁、使用方便、无需独立布线、稳定可靠等优点,能广泛用于设备、PC、芯片间远程UART/RS232串口通信。
[0050]本发明不局限于上述实施方式,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种基于以太网Cat.5布线架构的远距离串口通信系统,包括主控端和与主控端进行串口通信的受控端,其特征在于:所述主控端与受控端均包括UART/RS232通信接口、差分驱动芯片和RJ45网络接口,UART/RS232通信接口通过差分驱动芯片与RJ45网络接口的第4、5、7、8管脚连接,所述差分驱动芯片用于将UART/RS232通信接口的两路信号分别转换为两对差分信号,并将两对差分信号一一对应地传输到RJ45网络接口的第4、5、7、8管脚上:所述两路信号为接收数据信号UART_RXD、发送数据信号UART_TXD,所述两对差分信号中的一对为接收正极信号UART_RX+和接收负极信号UART_RX-,另一对为发送正极信号UART_TX+和发送负极信号UART_TX-;且主控端的RJ45网络接口与受控端的RJ45网络接口通过Cat.5标准网线连接。
2.如权利要求1所述的基于以太网Cat.5布线架构的远距离串口通信系统,其特征在于:所述差分驱动芯片包括8个管脚:第I管脚为电源管脚VCC;第2管脚为接收数据管脚RXD;第3管脚为发送数据管脚TXD;第4管脚为信号地管脚GND;第5管脚为发送正极信号UART_TX+管脚;第6管脚为发送负极信号UART_TX-管脚;第7管脚为接收负极信号UART_RX-管脚;第8管脚为接收正极信号UART_RX+管脚。
3.如权利要求2所述的基于以太网Cat.5布线架构的远距离串口通信系统,其特征在于:所述主控端的RJ45网络接口的第4管脚为接收正极信号UART_RX+管脚,与差分驱动芯片对应的第8管脚连接;第5管脚为接收负极信号UART_RX-管脚,与差分驱动芯片对应的第7管脚连接;第7管脚为发送正极信号UART_TX+管脚,与差分驱动芯片对应的第5管脚连接;第8管脚为发送负极信号UART_TX-管脚,与差分驱动芯片对应的第6管脚连接。
4.如权利要求2所述的基于以太网Cat.5布线架构的远距离串口通信系统,其特征在于:所述受控端的RJ45网络接口的第4管脚为发送正极信号UART_TX+管脚,与差分驱动芯片对应的第5管脚连接;第5管脚为发送负极信号UART_TX-管脚,与差分驱动芯片对应的第6管脚连接;第7管脚为接收正极信号UART_RX+管脚,与差分驱动芯片对应的第8管脚连接;第8管脚为接收负极信号UART_RX-管脚,与差分驱动芯片对应的第7管脚连接。
5.如权利要求2所述的基于以太网Cat.5布线架构的远距离串口通信系统,其特征在于:所述差分驱动芯片的第5、6、7、8管脚各外接有终端电阻。
6.如权利要求1所述的基于以太网Cat.5布线架构的远距离串口通信系统,其特征在于:当UART/RS232通信接口为RS232信号接口时,所述RS232信号接口与所述差分驱动芯片之间设置有具有RS232转UART功能的芯片,所述芯片用于将RS232信号接口输出的发送数据信号RS232_TX、接收数据信号RS232_RX信号,转换成发送数据信号UART_TXD、接收数据信号UART_RXD,然后再将转换后的信号发送至差分驱动芯片。
7.如权利要求1至6中任一项所述的基于以太网Cat.5布线架构的远距离串口通信系统,其特征在于:所述差分驱动芯片采用SP3077E芯片;所述Cat.5标准网线支持标准直连或交叉线序。
8.如权利要求1至6中任一项所述的基于以太网Cat.5布线架构的远距离串口通信系统,其特征在于:所述UART/RS232通信接口采用接插件或是PCB走线的方式与差分驱动芯片连接。
9.一种应用权利要求1所述串口通信系统的基于以太网Cat.5布线架构的远距离串口通信方法,其特征在于,包括以下步骤: 51:将主控端的UART/RS232通信接口的两路信号:接收数据信号UART_RXD、发送数据信号UART_TXD,分别转换为两对差分信号:接收正极信号UART_RX+、接收负极信号UART_RX-;发送正极信号UART_TX+、发送负极信号UART_TX-; 52:将两对差分信号一一对应地传输到主控端RJ45网络接口的第4、5、7、8管脚;再通过Cat.5标准网线将两对差分信号传输至受控端的RJ45网络接口的第4、5、7、8管脚; S3:将受控端接收到的两对差分信号转换成对应的接收数据信号UART_RXD、发送数据信号UART_TXD,并将转换后的信号传输至受控端的UART/RS232通信接口,从而实现串口通ί目O
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