CN110401670A - 一种优化的工业用串口协议的以太网透传方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种优化的工业用串口协议的以太网透传方法。针对工业用串口协议传输控制系统，包括：第一和第二协议转换器内均设置状态机，分别作为从站/主站，并且在第一和第二协议转换器内之间建立串口从站和串口主站的协议栈；在第一和第二协议转换器之间的对串口收发的数据帧上加入一个序列号，在串口发出数据帧时加入序列号，序列号按发出次数依次递增；将第一协议转换器和第二协议转换器之间的以太网通讯采用用户数据报协议UDP方式，并在用户数据报协议UDP中加入多发机制。本发明解决了在网络状况不好，或者互联网络中传输时因为延时，丢帧等问题所引起的工业用串口协议传输效果不好的问题，可以使得整个传输过程高效，正确。

Description

一种优化的工业用串口协议的以太网透传方法

技术领域

本发明涉及了一种工业用串口协议改进方法，尤其是涉及了一种优化的工业用串口协议的以太网透传方法。

背景技术

串口在各种工业控制器之中得到了广泛的应用。目前仍然有不少PLC在使用串口作为调试接口用。

通常来说，串口的连接时受限制于距离的，无论是RS232还是RS485的方式，距离都是有限制的，通常在千米级别以下，对于更长距离的连接，可以采用光纤的方式，另外也可以采用以太网进行传输，如果接入互联网之中，则可能进行更远距离的传输。

这种远程的调试，其方案上需要对串口进行透明的传输，系统分为第一协议转换器(3)和第二协议转换器(4)两个部分，系统结构如图1所示。工程师通过第一协议转换器(3)连入以太网络，即可对工业控制器进行操作，如同在现场一般。

串口在作为工业设备的通讯和调试接口时，通常采用一种主从(Master/Slave)和应答(Query/Response)的方式来进行通讯，其运行过程和特点如下：

运行的方法一般是主站发起查询，从站收到数据包之后解析，并予以回复；主站接收数据，予以解析，并可以开始下一次的查询；主站常设置一个超时(timeout)的参数，如果主站在设定的超时时间之内没有收到回复，那么就认为本次查询通讯以失败结束，再开始下一次的查询通讯；主站可能会设置一个通讯中断的标识，通常会采用连续查询失败的次数，或者持续无响应的时间为判断依据。

由于是工业控制应用，需要级高的实时传输速度和性能，现有工业用串口协议其具有以下的问题：通讯是半双工的，接收和发送不是随意时刻都可以，而是有序的；查询和应答必须是一一对应的，使得过期的应答是无效的，甚至是错误的；尤其需要快速响应，多次查询的无应答常会造成使用上的中断。

典型的这种类型的协议就是Modbus RTU协议。针对这样的工业设备的Modbus RTU串口通讯协议等类似的协议，这种基于以太网的透传方案，在以太网的性能足够好时，这一切是成立的，也可以取得良好的效果。

但在以太网的性能不佳时，特别是在通过互联网进行远程连接时，这种方式的效果会大幅降低。如果不加以处理，会变得低效，甚至不可用。

本发明提出了一个新的方案，用于解决以上的问题。

发明内容

为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种优化的工业用串口协议的以太网透传方法，利用这类的串口通讯协议的特点，采用特殊的技术方案措施解决了在以太网的性能不佳情况下工业设备的采用查询/应答方式的工业串口协议进行有效传输的问题。

本发明采用的技术方案是：

针对工业用串口协议传输控制系统，方法包括：

A、第一协议转换器和第二协议转换器内均设置状态机，分别作为从站/主站，并且在第一协议转换器和第二协议转换器内之间建立串口从站和串口主站的协议栈；协议栈用于保证接收和发送的有序执行，用于保证两侧的状态机不混乱；也就是说，可以保证主站设备和从站设备都只在允许收发的时候进行收发的操作，而不会造成逻辑上的混乱。

协议栈的实现有利于用于保证收发是有序的，不会造成收发逻辑的混乱。

B、在第一协议转换器和第二协议转换器之间的对串口收发的数据帧上加入一个序列号，在串口发出数据帧时加入序列号，这个序列号为64bit的无符号数，序列号按发出次数依次递增，并在数据帧中占据8个字节的长度，这样序列号结合协议栈能保证准确的收发；

C、将第一协议转换器和第二协议转换器之间的以太网通讯采用用户数据报协议UDP方式，并在用户数据报协议UDP中加入多发机制，这样能快速数据传输；

所述的工业用串口协议传输控制系统包括第一工业设备、第二工业设备、第一协议转换器和第二协议转换器，第一工业设备通过串口和第一协议转换器连接通讯，第一协议转换器和第二协议转换器之间通过以太网连接通讯，第二工业设备通过串口和第二协议转换器之间通过串口连接。这样在第一工业设备和第二工业设备之间就建立了一个虚拟的连接，如同一条串口线将两者连接到了一起。

所述的第一协议转换器和第二协议转换器为设置于PC计算机中的应用控制软件或者嵌入式硬件加固件。所述的PC计算机内置有应用控制软件，且通过虚拟串口将工业设备接口和应用控制软件连接。

所述的工业用串口协议的工作模式为主从方式或者说查询/应答方式。一种典型的应用为Modbus RTU。

所述方法适用于双向查询通信。

所述B中，序列号作为数据帧的一部分，从发送侧传给接收侧，可以从第一协议转换器传给第二协议转换器，也可以从第一协议转换器传给第二协议转换器；在接收侧收到含有序列号的数据帧后，记录该序列号，并将实际的数据帧通过串口发出传回发送侧；在发送侧在收到来自串口的接收侧回复的数据帧后，通过包含的序列号校验是否是自身传出：如果是，则传回反馈；如果不是，则丢弃。

所述C中，本发明同时引入多发的机制，所述的多发机制是在发送侧判断到前次发出的数据帧没有收取到回复之后，则在下一个数据帧进行多次重发，多次重发的多个数据帧具有相同的数据和序列号，这样有利于降低多次查询无反馈所造成的软件运行中断的可能性。

以下以第一工业设备作为主站，以第二工业设备作为从站，为例进行说明，反之同理。

作为主站的第一工业设备通过串口向第一协议转换器发出查询/控制的数据帧作为查询串口数据帧，在被第一协议转换器所接收到时加入一个序列号再向第二协议转换器经以太网发送，序列号由第一协议转换器生成，由序列号和原有的查询串口数据帧组成了查询以太网数据帧；

查询以太网数据帧从第一协议转换器传递到了第二协议转换器，第二协议转换器对数据进行了解析，分解成了序列号和查询串口数据帧，在第二协议转换器允许发送串口数据的情况下，将查询串口数据帧中解析获得的串口数据发送到作为从站的第二工业设备中，并记录当前的序列号；

作为从站的第二工业设备对串口数据进行应答，发送应答串口数据帧到第二协议转换器，在第二协议转换器4接收到应答串口数据帧后，将应答串口数据帧和当前的序列号组成应答以太网数据帧并发送给第一协议转换器；

第一协议转换器对收到应答以太网数据帧进行解析，分解成了序列号和应答串口数据帧，第一协议转换器比对此当前序列号与当前最新生成的序列号进行比较：如果一致，那么允许发送情况下通过串口通讯将应答串口数据帧向第一工业设备发出；如果不一致，那么当前应答串口数据帧对应的查询串口数据帧已失效，作丢弃处理。

在第一协议转换器之中，通过查询和应答的数据帧的序列号进行比对，如果当次或者连续多次的查询没有收到应答，那么对于下一个需要转发串口数据帧，在进行以太网数据帧传输时，会将同样的以太网数据帧同时发送多次，以降低连续无应答的概率。

本发明解决问题同时采用的三个关键手段，其中缺一不可：在第一协议转换器和第二协议转换器，分别实现一个从站和主站的协议栈用于保证两侧的状态机的有序；对串口数据帧在整个过程中加入序列号，记录并对比这个序列号，用于保证数据的有序；以太网通讯采用UDP方式用于快速的数据传输，并引入多发机制，用于降低连续无响应的概率。

本发明的有益效果是：

串口在进行工业设备的以太网透传时，会因为以太网通讯的时延之类的原因造成一系列的问题，如果不加以解决，整个过程会是低效的，甚至是错误的。

本发明提出一种新的方案，解决工业用串口协议在网络状况不好，或者互联网络中传输时因为延时、丢帧等问题所引起的效果不好的问题，可以使得整个传输过程高效，正确。

附图说明

图1为工业用串口协议中的传输控制系统结构示意图；

图2为工业用串口协议中的传输控制系统按照主从区分后的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

工业设备在以太网传输之后结构如图1，第一工业设备1与第一协议转换器3之间，第二工业设备2和第二协议转换器4之间均通过串口通讯进行数据传输，写于转换器1和第二协议转换器4之间通过以太网通讯进行数据传输。

第一工业设备1所发出的串口数据，在通过第一协议转换器3时将被转换为以太网数据，并被发送到第二协议转换器4之中，在第二协议转换器4之中被转换为串口数据，并被发送到第二工业设备2之中。

反过来也是一样的，第二工业设备2所发出的串口数据，在通过第二协议转换器4时将被转换为以太网数据，并被发送到第一协议转换器3之中，在第一协议转换器3之中被转换为串口数据，并被发送到第一工业设备1之中。

这样，在第一工业设备1和第二工业设备2之间，将建立一条虚拟的串口通讯通道。

由于串口协议多种多样，靠这种方式建立起来的虚拟的串口通讯并不总是可靠的。

串口在作为工业设备的调试接口时，通常采用一种主从(Master/Slave)或者说，查询应答(Query/Response)的方式来进行通讯。运行过程情况如下：

1、串口设备被分为主站和从站两种，一条总线下常只有一个主站，主站可以发起查询，而从站只是被动的应答，不可以主动发信息；

2、通讯是半双工的，数据的收和发不是随意时刻都可以发起，在判断到串口总线已被占据时就不可以进行操作，需要等待；

3、一个完整的数据传输过程如下，主站向从站发出查询，从站收到数据包之后进行解析，并予以回复；主站接收数据，予以解析，并可以开始下一次的查询；

4、主站常设置一个应答超时的参数(总线空闲时间)，如果主站在设定的应答超时时间之内没有收到回复，那么就认为本次查询以失败结束。并可以开始下一次的查询；

5、主站可能会进行通讯断开的判断，通常会采用连续查询失败的次数，或者持续无应答的时间为判断依据。在通讯断开时，进行指示和故障处理。

在以太网作为数据传输方式之后，这种基于以太网的透传方案，在以太网的性能足够好时，所有均成立，取得良好的效果。但在以太网的传输性能不佳时，特别是在通过互联网进行远程连接时，这种方式效果会大幅降低。

主要包括的技术问题有：

1、主站设备的查询数据帧在经过上述的两个协议转换器3、4到达从站设备之后，从站设备的应答数据帧经过两个协议转换器4、3到达主站设备之后，这个过程如果长于主站设置的应答超时，此时主站可能会正在进行下一次查询，此时第一协议转换器3是不可以进行发送操作的；

2、主站设备的查询数据帧在经过上述的两个协议转换器3、4到达从站设备之后，从站设备的应答数据帧经过两个协议转换器4、3到达主站设备之后，这个过程如果长于主站设置的应答超时，此时主站可能已经完成了下一次查询，此时第一协议转换器3是可以进行发送操作的，但这个应答的数据帧是针对前一次查询的，将当前的应答发送到主站设备是错误的；

3、主站如果连续几次没有接收到正确的应答，可能会造成主站设备主动断开通讯并进行故障的处理，要避免在以太网通讯状况不佳时发生连续的无应答。

以太网的通讯所造成的时间延时问题，进一步采用本发明方法进行解决。

本发明具体实施下，将系统图按主从进行区分，如图2所示。

具体实施的第一协议转换器3和第二协议转换器4之间的传输逻辑是：

(1)第一协议转换器3的实现步骤如下：

1、第一协议转换器3中包含串口收发程序；第一协议转换器3的软件可以绑定到设定的串口，并可以通过该串口与主站设备进行串口通讯，进行串口数据的交换；

2、第一协议转换器3中包含UDP收发程序；第一协议转换器3的软件可以绑定UDP端口，并可以与第二协议转换器4的UDP端口进行通讯，进行以太网数据帧的交换；

3、第一协议转换器3中包含了串口从站的状态机。

第一协议转换器3的软件中创建两个串口相关的状态位，分别为串口发送允许位和串口接收允许位；串口发送允许位用于指示第一协议转换器3在当前的串口通讯中是否允许进行串口发送操作，串口接收允许位用于指示第一协议转换器3在当前的串口通讯中是否允许进行串口接收操作；

第一协议转换器3作为串口通讯的从站，它的串口接收允许位是一直置1的；

第一协议转换器3的串口发送允许位只有在接收到了数据之后，才会被允许发送；它的逻辑如下：初始时，串口发送允许位置为0；在串口通讯接收数据帧完成之后，串口数据帧接收信号完成的信号会触发串口发送允许位置位为1；在发生了串口通讯的接收或者发送操作之后，都会触发将串口发送允许位复位为0。

4、第一协议转换器3中包含一个序列号发生器，例如，64位的无符号数，作依次的递增，并在数据帧中占据8个字节的长度。

5、第一协议转换器3中的串口接收程序，对于接收到的串口数据帧，均在串口数据帧的前部加入该序列号，形成新的数据帧作为以太网数据帧；对于下一个串口数据帧，该序列号会增加1；同时，第一协议转换器3会记录下该序列号，称之为当前序列号；

6、第一协议转换器3中的UDP发送程序，对于新生成的以太网数据帧，将其通过UDP通讯传输到第二协议转换器4之中；

7、第一协议转换器3中的UDP接收程序，对于收到的第二协议转换器4发来的以太网数据帧进行解析，分解为序列号以及串口数据帧；并进行判断，第一，当前的串口发送允许位是否为1，如果为0，那么丢弃该数据帧，如果串口发送允许位为1，那么继续判断，第二，接收到的序列号与程序记录下来的当前序列号是否一致，如果不一致，那么丢弃该数据帧，如果一致，那么通过串口将该串口数据帧发送到主站设备；

8、第一协议转换器3中包含一个序列号的监测程序，设置一个连续查询无应答计数器，如果查询的序列号，并没有获得应答，那么连续查询无应答计数器会增加1，如果获得了应答，那么连续查询无应答计数器将会复位为0。在连续查询无应答计数器高于设定值时，第一协议转换器3中的UDP发送程序，对于下一个以太网数据帧，在发送时，会将同样的以太网数据帧按照设定的次数进行多次发送。

(2)第二协议转换器4的实现：

1、第二协议转换器4中包含串口收发程序；第二协议转换器4的软件可以绑定到设定的串口，并可以通过该串口与从站设备进行串口通讯，进行串口数据的交换；

2、第二协议转换器4中包含UDP收发程序；第二协议转换器4的软件可以绑定UDP端口，并可以与第一协议转换器3的UDP端口进行通讯，进行以太网数据帧的交换；

3、第二协议转换器4中包含了串口主站的状态机。

第二协议转换器4的软件中创建两个串口相关的状态位，分别为串口发送允许位和串口接收允许位；串口发送允许位用于指示第二协议转换器4在当前的串口通讯中是否允许进行串口发送操作，串口接收允许位用于指示第二协议转换器4在当前的串口通讯中是否允许进行串口接收操作；

第二协议转换器4作为串口通讯的主站，在初始时串口发送允许位置1，串口接收允许位复位为0；

串口通讯的数据帧发送完成的信号将会触发状态位的变化，此时串口发送允许位设置为0，串口接收允许位设置为1；

串口通讯的数据帧接收完成的信号将会触发状态位的变化，此时串口发送允许位设置为1，串口接收允许位设置为0；

第二协议转换器4中会设置一个串口通讯空闲限制时间，如果在这段时间之内，串口通讯上没有发生数据的接收和发送操作，那么会将状态位设置为初始状态，也就是串口发送允许位设置为1，串口接收允许位设置为0；

串口通讯在数据帧的收发过程之中，都会将串口发送允许位设置为1；

4、第二协议转换器4中将设置两个与序列号相关的变量，分别为最大序列号和当前查询序列号；初始值均为0；

5、第二协议转换器4中的UDP接收程序；对于收到的第一协议转换器3发来的以太网数据帧进行解析，分解为序列号以及串口数据帧；

其序列号在被解析出来之后，会与最大序列号进行比较，如果低于或者等于最大序列号，那么该数据帧会被丢弃；如果高于最大序列号，那么更新最大序列号的数值；

接着进行下一个判断，如果此时第二协议转换器4的串口状态机的串口发送允许位为1，那么将通过串口将解析出来的串口数据帧通过串口进行发送；并将当前查询序列号设置为该序列号；

6、第二协议转换器4中的串口接收程序，在接收到串口数据帧之后，会判断当前查询序列号和最大序列号是否一致，如果不一致，那么就丢弃该串口数据帧，因为该数据帧对于主站设备已经失效，不需要通过以太网传输，如果一致，那么将串口数据帧中加入当前查询序列号，形成新的以太网数据帧。并将通过第二协议转换器4中的UDP发送程序发送到第一协议转换器3之中；

另外，具体实施中，第一协议转换器3可以是一种硬件和固件的形式存在，这时第一协议转换器3和主站设备之间的串口连接为实体的串口线。

如果主站设备为一个PC软件的实现，那么第一协议转换器3也可以是PC软件的形式来实现，这时第一协议转换器3和主站设备之间的串口连接为一组虚拟的串口连接对。

第二协议转换器4可以是一种硬件和固件的形式存在，这时第二协议转换器4和从站设备之间的串口连接为实体的串口线。

如果从站设备为一个PC软件的实现，那么第二协议转换器4也可以是PC软件的形式来实现，这时第二协议转换器4和从站设备之间的串口连接为一组虚拟的串口连接对。

Claims (6)

1.一种优化的工业用串口协议的以太网透传方法，其特征在于：

针对工业用串口协议传输控制系统，方法包括：

A、第一协议转换器(3)和第二协议转换器(4)内均设置状态机，分别作为从站/主站，并且在第一协议转换器(3)和第二协议转换器(4)内之间建立串口从站和串口主站的协议栈；

B、在第一协议转换器(3)和第二协议转换器(4)之间的对串口收发的数据帧上加入一个序列号，在串口发出数据帧时加入序列号，这个序列号为64bit的无符号数，序列号按发出次数依次递增，并在数据帧中占据8个字节的长度；

C、将第一协议转换器(3)和第二协议转换器(4)之间的以太网通讯采用用户数据报协议UDP方式，并在用户数据报协议UDP中加入多发机制。

2.根据权利要求1所述的一种优化的工业用串口协议的以太网透传方法，其特征在于：所述的工业用串口协议传输控制系统包括第一工业设备(1)、第二工业设备(2)、第一协议转换器(3)和第二协议转换器(4)，第一工业设备(1)通过串口和第一协议转换器(3)连接通讯，第一协议转换器(3)和第二协议转换器(4)之间通过以太网连接通讯，第二工业设备(2)通过串口和第二协议转换器(4)之间通过串口连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种优化的工业用串口协议的以太网透传方法，其特征在于：所述的第一协议转换器(3)和第二协议转换器(4)为设置于PC计算机中的应用控制软件或者嵌入式硬件加固件。

4.根据权利要求1所述的一种优化的工业用串口协议的以太网透传方法，其特征在于：所述的工业用串口协议的工作模式为主从方式或者说查询/应答方式。一种典型的应用为Modbus RTU。

5.根据权利要求1所述的一种优化的工业用串口协议的以太网透传方法，其特征在于：所述C中，所述的多发机制是在发送侧判断到前次发出的数据帧没有收取到回复之后，则在下一个数据帧进行多次重发，多次重发的多个数据帧具有相同的数据和序列号。

6.根据权利要求1所述的一种优化的工业用串口协议的以太网透传方法，其特征在于：作为主站的第一工业设备(1)通过串口向第一协议转换器(3)发出查询/控制的数据帧作为查询串口数据帧，在被第一协议转换器(3)所接收到时加入一个序列号再向第二协议转换器(4)经以太网发送，序列号由第一协议转换器(3)生成，由序列号和原有的查询串口数据帧组成了查询以太网数据帧；查询以太网数据帧从第一协议转换器(3)传递到了第二协议转换器(4)，第二协议转换器(4)对数据进行了解析，分解成了序列号和查询串口数据帧，在第二协议转换器(4)允许发送串口数据的情况下，将查询串口数据帧中解析获得的串口数据发送到作为从站的第二工业设备(2)中，并记录当前的序列号；

作为从站的第二工业设备(2)对串口数据进行应答，发送应答串口数据帧到第二协议转换器(4)，在第二协议转换器4接收到应答串口数据帧后，将应答串口数据帧和当前的序列号组成应答以太网数据帧并发送给第一协议转换器(3)；第一协议转换器(3)对收到应答以太网数据帧进行解析，分解成了序列号和应答串口数据帧，第一协议转换器(3)比对此当前序列号与当前最新生成的序列号进行比较：如果一致，那么允许发送情况下通过串口通讯将应答串口数据帧向第一工业设备(1)发出；如果不一致，那么当前应答串口数据帧对应的查询串口数据帧已失效，作丢弃处理。