一、背景
在现场控制和智能设备之间的互连中，经常采用异步串行端口进行连接，在这样的系统中 通常采用3层的结构。最底层采用EIA/TIA-232或EIA/TIA-422/485以及各种其他的调制解调 器通道，提供一个基于字符的数据接口。中间层采用各设备制造商自己的通信规约或者各种 标准化的通信协议，提供一个数据链路层的帧接口，有的也提供差错控制和流量控制，经常 被采用的有Modbus,DNP,IEC-60870-5系列等查询式协议以及各种循环式的协议。在最上层提 供给应用程序一个面向应用的数据层，这部分对不同的业务目标是不同的。这样的方案目前 在工业控制自动化系统(IA)和计算机监督控制及数据采集系统(SCADA)中得到普遍地使用， 也是目前现场不同生产商设备之间互连最有效的办法，一些部件生产者提供给系统集成的接 口也都采用这种模式。这种系统有很多优点：因为采用标准化的接口和协议，接口简单，现 有的可用资源丰富。但同时它也有一个很严重的不足，在需要远距离操作时，这样的系统经 常自己架设通信线路，距离更远时，只能靠租用线路工作，系统的运行成本就会很高。
另一方面，随着因特网的高速发展，世界进入了一个全新的网络化时代，因特网给我们提供了一个最广域的网络，通过这个网络我们可以在任何时候任何地点连接到世界上任何一个网络通达的地方。因特网如此快的发展，最诱人的地方就在于它的开放性，和因为它的开放 性带来的运行时的费用低廉，所以许多传统的业务都借助于因特网得到了新的发展，如IP电话等等。在末端设备接入因特网时经常采用的方案是采用拨号或者以太网接入。
这自然就让我们考虑如何把现场的设备接入到因特网上来。由于因特网要考虑到异种设备的互连，所以在它的实现中采用了一套完整的通信协议栈，而这些协议中有许多相当复杂。在现场运行的设备的控制器一般是为了特定的业务而设计的，这些控制器的处理器的资源比较有限，处理本身业务剩余的资源很难应对直接接入网络的需求,而且有的系统是已处于运行状态的。所以目前把它们接入网络经常采用的方案是在现场专门设置一台通信网关，它的一端与控制设备连接，另一端与网络连接，完成通信协议的双向翻译。这样虽然达到了目的，但是实现代价却是昂贵的。一般通信网关都采用通用的计算机来实现，再加上需要为特定需求而设计软件，所以总的系统费用增加很多。为此本文实现了一种低价位的通过因特网远程访问异步端口的转换桥方案。
二、虚拟外设
Ubicom提出的虚拟外设概念和相关的产品能够使得这种接入有一个廉价的解决。Virtua l Peripheral采用高速CPU和纯软件的解决方案，来完成一个“片上软件系统”，采用软件来替 代传统使用的硬件外设控制器来完成相同的功能，又具有了很大的灵活性，这些都靠使用Ub icom的SX高速系列CPU得以实现。现在已经有许多Virtual Peripheral的模块库可供使用，采用这些虚拟外设，能够大幅度地缩短工程师们的开发产品周期。我们可以选用这些已经准 备好的模块再加上在专门领域的应用软件，来开发自己的外设。同时Ubicom的SX系列CPU提供一个方便的在系统编程（ISP）接口，这样就可以建立一个相对稳定的硬件平台，因为在通信方面经常会遇到各式各样的标准和协议，这样即使在硬件已经完成的情况下，也可以通过下载不同的虚拟外设软件来让系统完成不同的功能。
现在已经可用的虚拟外设模块已经有许多，比如：
通信接口：I2C,Microwire/Plus,SPI,IrDA,多UART,V23 MODEM,Bell-202 MODEM；
网络协议：TCP/IP协议栈里的经常使用的部分，如PPP,IP,ICMP,UDP,TCP,SMTP,HTT P；
Delta/Sigma ADC；
DTMF发生器和检测器；
PSK/FSK调制解调器；
频率信号发生器和频率测量；
Sine/PPM/PWM发生器；
扫描键盘/LCD控制器；
数学计算算法；
FFT/DFT算法。
三、SX52微处理器
建立Virtual Peripheral的基础是Ubicom的SX系列处理器，其中的SX52是资源最丰富的 一 种，它有如下特点：
采用CMOS工艺，可工作于DC至100 MHz；
哈佛结构，但又加入了从程序存储器取数据的功能；
4级流水线执行，在100 M工作时，可达到100 MIPS的执行速度，内部中断响应30 ns；
4096字的EE/Flash程序存储器和262 B的数据存储器，存取时间小于10 ns，程 序存储器编程次数大于10000次；
RISC指令集，除分支指令和程序存储器取数外，都为单周期指令；
硬件8级堆栈，中断自动保存和恢复关键资源；
支持实时钟中断和硬件外部唤醒；
内置模拟比较器和两个16位定时器，实时钟，看门狗；
5个8位的输入输出口，可以单独设置接口电平，上位电阻，方向和选通方式；
上电自复位；
内置各种可配置的时钟源或外接晶体振荡器；
内置编程逻辑，可在系统调试和编程，编程方式简单；
实时仿真，有第三方的调试工具支持。
四、转换桥的实现
我们使用Virtual Peripheral开发了一个异步端口到因特网的桥，图1是这个系统的原理 框图。图1中标为“VP”的为Virtual Peripheral模块。桥接器连接着系统的两端，在本地控制系统的UART和远程的访问系统之间进行双向的数据转发，使之符合各自的数据格式。
各部分的功能描述如下：
1、本地控制系统端通过UART和相应的物理通道连接，可以是各种电气接口：
直接连接；
RS-232；
RS-422/485；
各种调制解调器通道。
2、因特网端可以使用常用的3种接入方式之一：
通过以太网接口接入到本地局域网；
使用PPP协议，用UART和相应的物理连接接入本地的网络接入设备；
使用PPP协议，用UART/调制解调器接入远程的ISP。
3、系统实现采用工作于50 M的SX50BD微处理器，内部由软件实现UART和 TCP/IP协议栈的Vi rtual Peripheral，顶层的应用程序完成两种格式数据的存储和转发，同时提供一个远程控 制转换桥工作方式的接口。系统把转换桥设计为一个Telnet服务器，远程系统运行时，只需 简单地通过TCP端口23连接到服务器，即可进行数据的转发。控制接口提供一个UDP端口23供 远程设置转换桥的工作方式，如波特率等参数。
4、远程系统对控制设备的操作和没有加入转换桥时的功能一致，只是它 的数据源是网 络接口而不是以前的异步端口，系统的修改幅度也不会很大。当然如果远程再加一个反向的 转换桥，应用程序就不需要任何修改了。
本文所述的转换桥的方案能使现有的控制设备轻松地接入因特网，使得用户应用程序可以 远程工作，最重要的特点就是无论系统费用还是运行费用都比以前的方案要低廉。
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