一种多功能串口服务器及数据传输方法与流程

本发明属于数据传输技术领域，具体涉及一种多功能串口服务器及数据传输方法。

背景技术：

串口服务器是一种将串口设备发送的串口数据通过以太网传输至上位机上常用的协议转换设备，可实现串口设备与以太网接口设备的数据双向透明互传。现有的大多数串口服务器都是只能实现串口设备与上位机之间数据定向互传，功能单一，多个串口设备之间数据互传均需要通过上位机中转，数据传输冗余，且实时性差。因此，现如今缺少一种设计合理，数据传输灵活便捷的多功能串口服务器及数据传输方法，通过在串口服务器内设置矩阵开关装置，采用微控制器控制矩阵开关装置的输入输出端口的开关状态，实现外部设备与用户计算机之间的定向数据传输；实现多个外部设备之间的数据传输以及用户计算机对各外部设备的监控；实现用户计算机向各外部设备的数据广播，功能完备，矩阵开关装置的输入输出端口的开关状态控制简单，且数据传输路径短，数据传输效率高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种多功能串口服务器，通过设置矩阵开关装置，实现多个外部设备分别与用户计算机数据互传，且矩阵开关装置可任意切换外部设备与用户计算机数据互传的路径，功能完备，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种多功能串口服务器，其特征在于，包括依次连接的微控制器、矩阵开关装置和用于连接外部设备的串口接口电路，微控制器上连接有用于与用户计算机通信的网络接口，微控制器内置多个uart模块，所述矩阵开关装置为具有2n个信号输入端口和2n个信号输出端口的矩阵开关装置，串口接口电路的数量不大于n，其中，n为不小于2的正整数，外部设备的数量与串口接口电路的数量相等且外部设备与串口接口电路一一对应。

上述的一种多功能串口服务器，其特征在于：所述矩阵开关装置为模拟矩阵开关或fpga模块。

上述的一种多功能串口服务器，其特征在于：所述模拟矩阵开关包括max456芯片。

上述的一种多功能串口服务器，其特征在于：所述串口接口电路为rs232串口模块、rs422串口模块或rs485串口模块。

上述的一种多功能串口服务器，其特征在于：所述网络接口支持udp协议或tcp协议。

上述的一种多功能串口服务器，其特征在于：所述网络接口为以太网通信模块。

上述的一种多功能串口服务器，其特征在于：所述用户计算机通过千兆网线与所述以太网通信模块连接。

同时，本发明还公开了一种数据传输灵活、功能完备、设计合理、在实现数据定向互传的基础上快速实现多个外部设备之间的数据传输及用户计算机向各外部设备的数据广播的串口服务器的数据传输方法，其特征在于，该方法包括：

定向数据传输，用户计算机通过网络接口控制uart模块向外发送数据，该数据经过所述uart模块传送给矩阵开关装置的信号输入端口，再通过矩阵开关装置的信号输出端口发送至串口接口电路，最后发送至与串口接口电路连接的外部设备，实现用户计算机向外部设备发送数据；外部设备发送的数据，经过串口接口电路传输至矩阵开关装置的信号输入端口，再通过矩阵开关装置的信号输出端口发送至微控制器的uart模块中，最后通过网络接口传输至用户计算机，实现外部设备向用户计算机发送数据；

串口监测数据传输，一个外部设备发送的数据经过与该外部设备连接的串口接口电路传输至矩阵开关装置的信号输入端口，再通过矩阵开关装置的信号输出端口分两路，一路发送至与另一个外部设备连接的串口接口电路，另一路发送至uart模块后与用户计算机通信，实现两个外部设备之间的数据传输，并实现用户计算机对外部设备的监控；

数据广播，用户计算机通过网络接口控制微控制器内的一个uart模块向外发送数据，该数据传送至矩阵开关装置的信号输入端口，再通过矩阵开关装置的信号输出端口发送至串口接口电路，最后传输至外部设备，实现用户计算机向外部设备的数据广播；外部设备通过与外部设备连接的串口接口电路向矩阵开关装置的信号输入端口发送数据，矩阵开关装置的信号输出端口通过多个uart模块将数据传输至微控制器，微控制器将接收的数据通过网络接口传输至用户计算机，实现用户计算机与外部设备的信息交互。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用的串口服务器通过设置矩阵开关装置，通过调节矩阵开关装置的信号输入端口或信号输出端口的开关状态，控制微控制器与多个外部设备之间的数据传输，使用灵活，控制简单，便于推广使用。

2、本发明采用的数据传输方法将每个外部设备一一连接至串口接口电路，并将串口接口电路的信号发送端和信号接收端分别连接至矩阵开关装置，实现外部设备与微控制器的信号互传，可作为串口服务器使用；通过微控制器控制矩阵开关装置的信号输入端口或信号输出端口的开关状态，实现不同外部设备之间的数据传输，同时通过微控制器接收外部设备传输的数据，实现外部设备的数据传输监测，可作为串口调试器使用；另外，通过控制矩阵开关装置的端口状态，可实现微控制器向多个外部设备的数据广播，减少微控制器的数据传输量，功耗低，可靠稳定。

3、本发明连接的多个外部设备不受串口制式的限制，满足多种串口类型设备的数据互传，可扩展性强，多个外部设备之间的数据互传效率高，减少微控制器或用户计算机的数据计算冗余量，使用效果好。

综上所述，本发明通过设置矩阵开关装置，在实现数据定向互传的基础上快速实现多个外部设备之间的数据传输及用户计算机向各外部设备的数据广播，功能完备，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明多功能串口服务器的电路原理框图。

图2为本发明的电路原理示意框图。

图3为本发明定向数据传输的简易电路原理示意框图。

图4为本发明串口监测数据传输的简易电路原理示意框图。

图5为本发明数据广播的简易电路原理示意框图。

附图标记说明:

1—用户计算机；3—外部设备；3-1—外部设备一；

3-2—外部设备二；3-3—外部设备三；3-4—外部设备四；

4—网络接口；5—微控制器；6—矩阵开关装置；

7—串口接口电路；7-1—串口接口电路一；7-2—串口接口电路二；

7-3—串口接口电路三；7-4—串口接口电路四。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种多功能串口服务器，包括依次连接的微控制器5、矩阵开关装置6和用于连接外部设备3的串口接口电路7，微控制器5上连接有用于与用户计算机1通信的网络接口4，微控制器5内置多个uart模块，所述矩阵开关装置6为具有2n个信号输入端口和2n个信号输出端口的矩阵开关装置，串口接口电路7的数量不大于n，其中，n为不小于2的正整数，外部设备3的数量与串口接口电路7的数量相等且外部设备3与串口接口电路7一一对应。

需要说明的是，矩阵开关装置6的设置是为了实现多个外部设备3分别与用户计算机1数据互传，且矩阵开关装置6可任意切换外部设备3与用户计算机1数据互传的路径，功能完备。

本实施例中，所述矩阵开关装置6为模拟矩阵开关或fpga模块。

本实施例中，所述模拟矩阵开关包括max456芯片。

需要说明的是，如图2所示，本实施例中，n取4，以具有8个信号输入端口和8个信号输出端口的矩阵开关装置6为例，矩阵开关装置6还设置有一个与微控制器5连接的控制端口，矩阵开关装置6上连接4个串口接口电路7，4个串口接口电路7分别为串口接口电路一7-1、串口接口电路二7-2、串口接口电路三7-3、串口接口电路四7-4，由于外部设备3的数量与串口接口电路7的数量相等且多个外部设备3与多个串口接口电路7一一对应，因此，实际连接外部设备3的数量为4个，4个外部设备3分别为与串口接口电路一7-1连接的外部设备一3-1、与串口接口电路二7-2连接的外部设备二3-2、与串口接口电路三7-3连接的外部设备三3-3、与串口接口电路四7-4连接的外部设备四3-4，实际使用中，采用微控制器5中内置的4个uart模块，4个uart模块分别为uart1、uart2、uart3、uart4。

实际接线中，微控制器5的io端口与矩阵开关装置6的控制端口ctrl连接，uart1的发送接口tx01与矩阵开关装置6的第五信号输入端口in05连接，uart2的发送接口tx02与矩阵开关装置6的第六信号输入端口in06连接，uart3的发送接口tx03与矩阵开关装置6的第七信号输入端口in07连接，uart4的发送接口tx04与矩阵开关装置6的第八信号输入端口in08连接，uart1的接收接口rx01与矩阵开关装置6的第五信号输出端口out05连接，uart2的接收接口rx02与矩阵开关装置6的第六信号输出端口out06连接，uart3的接收接口rx03与矩阵开关装置6的第七信号输出端口out07连接，uart4的接收接口rx04与矩阵开关装置6的第八信号输出端口out08连接，串口接口电路一7-1的发送接口tx11与矩阵开关装置6的第一信号输入端口in01连接，串口接口电路二7-2的发送接口tx12与矩阵开关装置6的第二信号输入端口in02连接，串口接口电路三7-3的发送接口tx13与矩阵开关装置6的第三信号输入端口in03连接，串口接口电路一7-4的发送接口tx14与矩阵开关装置6的第四信号输入端口in04连接，串口接口电路一7-1的接收接口rx11与矩阵开关装置6的第一信号输出端口out01连接，串口接口电路二7-2的接收接口rx12与矩阵开关装置6的第二信号输出端口out02连接，串口接口电路三7-3的接收接口rx13与矩阵开关装置6的第三信号输出端口out03连接，串口接口电路四7-4的接收接口rx14与矩阵开关装置6的第四信号输出端口out04连接。

本实施例中，所述串口接口电路7为rs232串口模块、rs422串口模块或rs485串口模块。

需要说明的是，连接的多个外部设备3不受串口制式的限制，满足多种串口类型设备的数据互传，可扩展性强，多个外部设备之间的数据互传效率高，减少微控制器或用户计算机的数据计算冗余量，使用效果好。

本实施例中，所述网络接口4支持udp协议或tcp协议。

本实施例中，所述网络接口4为以太网通信模块。

本实施例中，所述用户计算机1通过千兆网线与所述以太网通信模块连接。

如图3至图5所示的一种多功能串口服务器的数据传输方法，包括：

定向数据传输，用户计算机1通过网络接口4控制uart模块向外发送数据，该数据经过所述uart模块传送给矩阵开关装置6的信号输入端口，再通过矩阵开关装置6的信号输出端口发送至串口接口电路7，最后发送至与串口接口电路7连接的外部设备3，实现用户计算机1向外部设备3发送数据；外部设备3发送的数据，经过串口接口电路7传输至矩阵开关装置6的信号输入端口，再通过矩阵开关装置6的信号输出端口发送至微控制器5的uart模块中，最后通过网络接口4传输至用户计算机1，实现外部设备3向用户计算机1发送数据；

实际定向数据传输时，通过微控制器5控制矩阵开关装置6的第五信号输入端口in05与第一信号输出端口out01导通、第六信号输入端口in06与第二信号输出端口out02导通、第七信号输入端口in07与第三信号输出端口out03导通、第八信号输入端口in08与第四信号输出端口out04导通；用户计算机1通过网络接口4分别控制uart1的发送接口tx01、uart2的发送接口tx02、uart3的发送接口tx03、uart4的发送接口tx04向外发送数据，该数据分别传送给矩阵开关装置6的第五信号输入端口in05、第六信号输入端口in06、第七信号输入端口in07、第八信号输入端口in08，再通过矩阵开关装置6的第一信号输出端口out01、第二信号输出端口out02、第三信号输出端口out03、第四信号输出端口out04分别发送至串口接口电路一7-1的接收接口rx11、串口接口电路二7-2的接收接口rx12、串口接口电路三7-3的接收接口rx13、串口接口电路四7-4的接收接口rx14，最后分别发送至外部设备一3-1、外部设备二3-2、外部设备三3-3、外部设备四3-4，实现用户计算机1向各外部设备3发送数据；

外部设备3向用户计算机1发送数据时，通过微控制器5控制矩阵开关装置6的第一信号输入端口in01与第五信号输出端口out05导通、第二信号输入端口in02与第六信号输出端口out06导通、第三信号输入端口in03与第七信号输出端口out07导通、第四信号输入端口in04与第八信号输出端口out08导通；外部设备一3-1、外部设备二3-2、外部设备三3-3、外部设备四3-4分别通过串口接口电路一7-1的发送接口tx11、串口接口电路二7-2的发送接口tx12、串口接口电路三7-3的发送接口tx13、串口接口电路四7-4的发送接口tx14向外发送数据，该数据分别传送给矩阵开关装置6的第一信号输入端口in01、第二信号输入端口in02、第三信号输入端口in03、第四信号输入端口in04，再通过矩阵开关装置6的第五信号输出端口out05、第六信号输出端口out06、第七信号输出端口out07、第八信号输出端口out08分别发送至uart1的接收接口rx01、uart2的接收接口rx02、uart3的接收接口rx03、uart4的接收接口rx04，最后经微控制器5通过网络接口4传输至用户计算机1；定向数据传输时，实现外部设备3与微控制器5的信号互传，可作为串口服务器使用。

需要说明的是，通过微控制器5还可控制矩阵开关装置6的第五信号输入端口in05、第六信号输入端口in06、第七信号输入端口in07、第八信号输入端口in08分别与第一信号输出端口out01、第二信号输出端口out02、第三信号输出端口out03、第四信号输出端口out04的任意排列组合顺序实现导通，作为可以实时切换的串口服务器使用。

串口监测数据传输，一个外部设备3发送的数据经过与该外部设备3连接的串口接口电路7传输至矩阵开关装置6的信号输入端口，再通过矩阵开关装置6的信号输出端口分两路，一路发送至与另一个外部设备3连接的串口接口电路7，另一路发送至uart模块后与用户计算机1通信，实现两个外部设备3之间的数据传输，并实现用户计算机1对外部设备3的监控；

需要说明的是，如图4所示，通过微控制器5控制矩阵开关装置6的第一信号输入端口in01与第三信号输出端口out03和第五信号输出端口out05均导通，通过微控制器5控制矩阵开关装置6的第三信号输入端口in03与第一信号输出端口out01和第七信号输出端口out07均导通；外部设备一3-1发送的数据，经过串口接口电路一7-1的发送接口tx11传输到矩阵开关装置6的第一信号输入端口in01，再通过矩阵开关装置6的第三信号输出端口out03发送给串口接口电路三7-3的接收接口rx13，进而发送到外部设备三3-3，同时还通过矩阵开关装置6的第五信号输出端口out05发送给uart1的接收接口rx01向用户计算机1传输数据；外部设备三3-3发送的数据，经过串口接口电路三7-3的发送接口tx13传输到矩阵开关装置6的第三信号输入端口in03，再通过矩阵开关装置6的第一信号输出端口out01发送给串口接口电路一7-1的接收接口rx11，进而发送到外部设备一3-1，同时还通过矩阵开关装置6的第七信号输出端口out07发送给uart3的接收接口rx03向用户计算机1传输数据；实现外部设备一3-1与外部设备三3-3的信号互传的同时实现用户计算机1对外部设备一3-1和外部设备三3-3之间传输数据的监控和调试，可作为串口调试器使用。

需要说明的是，通过微控制器5还可控制矩阵开关装置6的第一信号输入端口in01、第二信号输入端口in02、第三信号输入端口in03、第四信号输入端口in04分别与第一信号输出端口out01、第二信号输出端口out02、第三信号输出端口out03、第四信号输出端口out04的任意排列组合顺序实现导通，实现任意两个外部设备3之前的数据互传，作为可以实时切换的串口调试器使用。

数据广播，用户计算机1通过网络接口4控制微控制器5内的一个uart模块向外发送数据，该数据传送至矩阵开关装置6的信号输入端口，再通过矩阵开关装置6的信号输出端口发送至串口接口电路7，最后传输至外部设备3，实现用户计算机1向外部设备3的数据广播；外部设备3通过与外部设备3连接的串口接口电路7向矩阵开关装置6的信号输入端口发送数据，矩阵开关装置6的信号输出端口通过多个uart模块将数据传输至微控制器5，微控制器5将接收的数据通过网络接口4传输至用户计算机1，实现用户计算机1与外部设备3的信息交互。

需要说明的是，如图5所示，通过微控制器5控制矩阵开关装置6的第五信号输入端口in05与第一信号输出端口out01、第二信号输出端口out02、第三信号输出端口out03和第四信号输出端口out04均导通，通过微控制器5控制矩阵开关装置6的第一信号输入端口in01与第五信号输出端口out05导通、第二信号输入端口in02与第六信号输出端口out06导通、第三信号输入端口in03与第七信号输出端口out07导通、第四信号输入端口in04与第八信号输出端口out08导通；用户计算机1通过网络接口4控制uart1的发送接口tx01向外发送数据，该数据传送至矩阵开关装置6的第五信号输入端口in05与第一信号输出端口out01、第二信号输出端口out02、第三信号输出端口out03和第四信号输出端口out04，再分别发送至串口接口电路一7-1的接收接口rx11、串口接口电路二7-2的接收接口rx12、串口接口电路三7-3的接收接口rx13、串口接口电路四7-4的接收接口rx14，最后传输至各个外部设备3，实现用户计算机1向多个外部设备3的数据广播；

外部设备一3-1、外部设备二3-2、外部设备三3-3、外部设备四3-4分别通过串口接口电路一7-1的发送接口tx11、串口接口电路二7-2的发送接口tx12、串口接口电路三7-3的发送接口tx13、串口接口电路四7-4的发送接口tx14向外发送数据，该数据分别传送给矩阵开关装置6的第一信号输入端口in01、第二信号输入端口in02、第三信号输入端口in03、第四信号输入端口in04，再通过矩阵开关装置6的第五信号输出端口out05、第六信号输出端口out06、第七信号输出端口out07、第八信号输出端口out08分别发送至uart1的接收接口rx01、uart2的接收接口rx02、uart3的接收接口rx03、uart4的接收接口rx04，最后经微控制器5通过网络接口4传输至用户计算机1，实现用户计算机1与外部设备3的信息交互，可实现用户计算机1向多个外部设备3的数据广播，减少数据传输量，功耗低。

需要说明的是，通过微控制器5控制矩阵开关装置6的第五信号输入端口in05、第六信号输入端口in06、第七信号输入端口in07或第八信号输入端口in08中的任意一个信号输入端口与第一信号输出端口out01、第二信号输出端口out02、第三信号输出端口out03和第四信号输出端口out04均导通，通过微控制器5控制矩阵开关装置6的第一信号输入端口in01与第五信号输出端口out05导通、第二信号输入端口in02与第六信号输出端口out06导通、第三信号输入端口in03与第七信号输出端口out07导通、第四信号输入端口in04与第八信号输出端口out08的任意排列组合顺序实现导通。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。