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随着工业控制技术的迅速发展，上位机的角色已经超越了单纯的监视和控制功能，逐渐演变为实现复杂业务逻辑、报警管理、报表处理等高级功能的核心组成部分。此外，上位机还需要与多个其他系统进行无缝对接，包括不同厂家的上位机、上层的制造执行系统、仓储管理系统、企业资源计划系统和企业应用集成等。
从广义上讲，我们通常将制造执行系统、企业资源计划系统、监控与数据采集系统、人机界面和配置软件等都归类为上位机的范畴。上位机与下位机是相对的概念，它们通过通信方式实现数据交换：上位机从下位机获取数据，并对数据进行处理以满足特定需求，二者共同构建完整的控制系统。
因此，通信是上位机与下位机之间的关键桥梁。上位机利用各种不同的通信方式和协议从下位机中获取数据，这些数据随后被用于显示、业务处理和决策支持。在上位机开发中，常见的通信方式包括串口通信（如RS-232、RS-485）和以太网通信（如TCP/IP协议），具体选择取决于系统需求和硬件环境。
串口通信是一种用于数据传输和通信的方式，通常被应用于计算机及其他设备之间的点对点传输。在工业控制领域，串口通信非常普遍，各种仪器仪表、各种品牌的PLC以及计算机都直接或间接地支持串口通信。
1.传输方式
根据一次性传输数据的多少，串口通信可以分为串行通信和并行通信。
（1）串行通信：通信双方通过一条或两条数据信号线连接。在任意时刻，只有一个比特位的信号可以传输。数据按顺序逐位传输，通常使用单根数据线或一对差分线来进行数据传输。
（2）并行通信：与串行通信相比，并行通信以字节或多个字节为单位进行传输。它利用多条传输线同时传输多个字节，从而可以一次性传输更多数据。然而，由于成本高且对信号线路要求高，一般用于快速设备之间的近距离传输，如CPU与存储设备、主机与打印机之间的通信。
串行通信虽然传输效率较低，但对信号线路要求低、抗干扰能力强，且成本相对较低。综合考虑串行通信的优缺点以及工业应用场景的需求，大部分情况下工业领域更倾向于采用串行通信。
2.传输方向
根据数据传输的方向，串口通信分为以下三种类型。
（1）单工通信：数据只能单向传输，发送端和接收端的身份固定。发送端只能发送信息，接收端只能接收信息。数据信号只能从一端传送到另一端，即信息流是单向的。例如，遥控器就是一种典型的单工通信设备，信号只能由发送端到接收端。
（2）半双工通信：数据可以沿两个方向传送，但同一时刻一个信道只允许单向传输，因此又被称为双向交替通信。半双工方式要求收发两端都有发送和接收装置，通过软件控制的电子开关来实现数据传输方向的切换。尽管效率较低，但可以节约传输线路，适用于终端与终端之间的会话式通信。例如，无线对讲机就是一种典型的半双工通信设备。
（3）全双工通信：数据可以沿两个方向同时传输，发送端和接收端都配置有发送器和接收器。在全双工通信中，通信系统能够同时控制数据在两个方向上传送，无须进行方向切换操作，因此效率较高。例如，电话机是一种典型的全双工通信设备，通话期间双方可以同时进行对话。
3.传输参数
串口通信的通信格式如图1-10所示，常用的参数如下。
图1-10 串口通信的通信格式
（1）波特率（Baud Rate）：波特率指的是每秒传输的数据位数，通常用于衡量数据传输的速率。常见的波特率包括9600、19200、38400、115200等。发送和接收方必须使用相同的波特率进行通信，否则可能导致数据错误或丢失。
（2）数据位（Data Bits）：数据位表示每个数据字节中包含的位数，通常为8位。较少的数据位会限制可传输的字符集，而较多的数据位则可以提高数据传输的效率和灵活性。
（3）校验位（Parity）：校验位是一种用于检测数据传输中错误的额外位。常见的校验方式包括奇校验、偶校验或无校验。校验位有助于检测数据传输中的错误，但无法纠正错误。
（4）停止位（Stop Bits）：数据字节通常以起始位和停止位包围。起始位表示数据的开始，而停止位则表示数据的结束。通常情况下，数据字节的格式为1个起始位、8个数据位、1个校验位和1～2个停止位。
（5）流控制（Flow Control）：在串口通信中，可以使用硬件或软件流控制来管理数据传输。流控制用于控制发送方和接收方之间的数据流速率，以防止数据溢出或丢失。
4.传输接口
串口通信的接口标准很多，如RS-232C、RS-232、RS-422、RS-485等。其中，RS-232C是对RS-232的改进，它们的原理是一样的；RS-485是对RS-422的一种改进。在实际工业应用中，我们常用的传输接口标准主要是RS-232和RS-485。
1）RS-232C和RS-232
RS-232是最早引入的串行通信标准，起源于19世纪60年代，定义了基本的串行通信协议。1969年，美国电子工业联合会（EIA）与BELL等公司共同开发了RS-232C通信标准，也称为RS-232 Rev.C。RS-232C是对RS-232标准的修订和扩展，以提高通信的可靠性和性能，具体表现如下。
（1）接口规范：RS-232C引入了更具体和一致的机械接口规范，包括25针D型连接器（DB-25）和9针D型连接器（DB-9），确保了不同设备间的物理连接一致性，使连接更容易和可靠。
（2）控制信号：RS-232C扩展了控制信号的定义，支持更多选项，包括数据终端就绪（DTR）、数据终端就绪（DSR）、请求发送（RTS）、清除发送（CTS）、响铃（RING）和数据终端准备（RLSD）等，允许设备之间进行复杂的流量控制和通信协商。
（3）电气特性：RS-232C保持了与RS-232相同的电气特性，包括电压级别和信号波特率。通过规范化接口和扩展控制信号增强了通信的灵活性。
（4）数据速率：RS-232C标准支持多种数据速率，包括标准的串行通信波特率，如9600、19200、38400等，允许设备在不同速率下进行通信。但由于电气特性限制，传输距离一般最多只能达到15m。
2）RS-422和RS-485
RS-422作为苹果的Macintosh计算机的串口连接标准，采用全双工通信方式，配备4根信号线，且收发信号线分离，可同时进行数据接收和发送。其最大传输距离为4000英尺（约1219米），最大传输速率为10Mbit/s。RS-422使用差分信号传输，即使用两根线分别发送和接收信号。相比RS-232，它能更好地抵抗噪声并且有更远的传输距离，在工业环境尤为适用。
RS-485对RS-422又进行了改进，增加了支持设备的数量。RS-485允许多个设备在同一通信线上工作，具有以下通信特点。
（1）差分信号传输：RS-485采用平衡的差分信号传输，其中一条线传输正向数据，另一条线传输反向数据。这种传输方式对抗电磁干扰和噪声非常有效，使其适用于恶劣环境下的通信。
（2）长距离通信：RS-485可覆盖较长的距离，通常可达几千英尺（数百米）甚至更远。这使其成为工业控制系统、楼宇自动化、远程传感器和监控系统等需要远距离通信的理想选择。
（3）多点连接：RS-485支持多个设备在同一通信线上工作，通过设备的站地址来区分它们。这使其适用于需要多个设备之间进行通信的场合，如控制系统中的传感器和执行器。
3）RS-232、RS-422及RS-485性能比较
RS-232、RS-422及RS-485这三种通信方式各有优缺点，大家可以根据自己的实际使用场景来进行选择，它们之间的性能比较如表1-1所示。
表1-1 RS-232、RS-422及RS-485性能比较
串口通信广泛应用于各种领域，如嵌入式系统、远程传感器、打印机、GPS接收器、模块化通信等。它提供了一种可靠的数据传输方式，尤其适用于需要长距离通信、低功耗和简单硬件接口的场景。不同类型的串口通信，如RS-232、RS-485、UART等，可以根据具体的应用需求选择。
在当今数字化时代，以太网通信技术已成为全球连接的关键数字基础设施。通过结合物理层和数据链路层协议，以太网使得计算机和设备能够在局域网（LAN）中以高效、可靠的方式进行数据交换和通信。
以太网通信的核心思想是将数据划分为数据帧，并通过网络传输这些数据帧，以实现设备之间的信息交流。
1.以太网参考模型
如图1-11所示是以太网通信的一个参考模型。从图中可以看出，TCP/IP分层模型，相较于OSI参考模型，将应用层、表示层、会话层合并成了一个应用层，将数据链路层和物理层合并成了网络接口层。在计算机网络和通信领域，OSI（Open Systems Interconnection）参考模型为理解、设计、管理和维护网络系统的复杂性提供了一个有组织的框架。该模型将网络通信划分为七个独立的层次，每个层次负责特定的任务和功能。
图1-11 以太网通信的两种参考模型
（1）应用层（Application Layer）：这一层的主要目的是为应用程序和最终用户提供服务，处理各种与应用相关的功能，如文件传输、电子邮件和虚拟终端等。
（2）表示层（Presentation Layer）：这一层主要处理数据表示和格式化，确保数据在发送和接收时能够被正确解释和处理，可能涉及数据的加密、压缩和格式转换等功能。
（3）会话层（Session Layer）：负责建立、管理和终止会话或连接；确保数据在发送和接收时能够正确分组、排序和同步。
（4）传输层（Transport Layer）：提供端到端的通信服务；确保数据在传输过程中能够可靠、有序和无误地到达目的地；提供了TCP和UDP两种协议。
（5）网络层（Network Layer）：将数据包从一个网络节点传输到另一个网络节点；包括路径选择和逻辑地址寻址等功能；IP协议是这一层工作的核心协议。
（6）数据链路层（Data Link Layer）：负责将数据包从一个节点传输到相邻的节点；使用物理地址（如MAC地址）来确保数据包的正确传输；常见的协议包括以太网（Ethernet）和点对点协议（PPP）。
（7）物理层（Physical Layer）：OSI参考模型的最底层，负责实际传输比特流；定义了电气、机械和定时接口的特性，以确保数据能够在物理媒体上正确传输。
TCP/IP模型是在OSI参考模型的基础上简化而成的四层模型。在层次关系上，两者均采用分层体系结构，实现对等的层间通信。不同之处在于TCP/IP模型更为简洁明了，而功能上两者差别不大，都致力于实现两个或多个终端之间的通信。OSI与TCP/IP参考模型之间的比较如表1-2所示。
表1-2 OSI与TCP/IP参考模型之间的比较
总结：不难看出，TCP/IP与OSI在分层模块上稍有区别。OSI参考模型注重“通信协议必要的功能是什么”，而TCP/IP则更强调“在计算机上实现协议应该开发哪种程序”。
2.以太网通信过程
每个分层中，都会对所发送的数据附加一个首部，在这个首部中包含了该层所需的信息，如目标地址和协议信息。通常，为协议提供的信息为包首部，所要发送的内容为数据。从下一层的角度来看，从上一层接收到的包都被视为本层的数据。以太网数据的组成如图1-12所示。
图1-12 以太网数据的组成
网络中传输的数据包由两部分组成：协议需要的首部和上一层传递的数据。在数据包的首部中清晰地标明了协议应该如何读取数据。因此，通过查看首部，就能了解该协议所需的信息以及需要处理的数据。以太网的数据传输过程如图1-13所示。
图1-13 以太网的数据传输过程
①应用程序处理：首先，应用程序对数据进行编码处理，类似于OSI模型的表示层功能；编码转化后，邮件不一定马上被发送出去，这种何时建立通信连接何时发送数据的管理功能，相当于OSI的会话层功能。
②TCP模块的处理：TCP根据应用的指示，负责建立连接、发送数据和断开连接。它提供可靠的数据传输，将应用层发来的数据顺利发送至对端。为了实现这一功能，需要在应用层数据的前端附加一个TCP首部。
③IP模块的处理：IP将TCP传过来的TCP首部和TCP数据组合起来当作自己的数据，并在TCP首部的前端加上自己的IP首部。IP包生成后，参考路由控制表决定接收此IP包的路由或主机。
④网络接口（以太网驱动）的处理：从IP传过来的IP包对于以太网来说就是数据。给这些数据附加上以太网首部并进行发送处理，生成的以太网数据包将通过物理层传输给接收端。
⑤网络接口（以太网驱动）的处理：主机收到以太网包后，首先从以太网包首部找到MAC地址判断是否为发送给自己的包，若不是则丢弃数据。如果是发送给自己的包，则从以太网包首部中的类型确定数据类型，再传给相应的模块，如IP、ARP等。这里则以IP模块为例。
⑥IP模块的处理：IP模块接收到数据后也做类似的处理。从包首部中判断此IP地址是否与自己的IP地址匹配。如果匹配，则根据首部的协议类型将数据发送给对应的模块，如TCP、UDP。这里的则以TCP模块为例。另外，对于有路由器的情况，接收端的地址往往不是自己的地址，此时，需要借助路由控制表，在调查应该送往的主机或路由器之后再转发数据。
⑦TCP模块的处理：在TCP模块中，首先会计算一下校验和，判断数据是否被破坏。然后检查是否在按照序号接收数据。检查端口号，确定具体的应用程序。数据被完整地接收以后，会传给由端口号识别的应用程序。
⑧应用程序的处理：接收端应用程序会直接接收发送端发送的数据。通过解析数据，展示相应的内容。
3.以太网通信开发
对于开发者来说，不需要经常关心网络层和物理层的细节，因为这些层通常由专业的网络和硬件工程师负责管理。开发者的主要焦点通常集中在传输层和应用层，因为这两层直接与应用程序的开发和功能相关。
（1）传输层（Transport Layer）：传输层是开发者在构建应用程序时需要关注的一个重要层次。在传输层，开发者可以选择使用不同的传输协议，如TCP（传输控制协议）或UDP（用户数据报协议），以满足应用程序的需求。TCP提供了可靠的、面向连接的通信，适用于需要确保数据完整性和可靠性的应用，如Web浏览器和文件传输工具。而UDP则提供了快速的、不可靠的通信，适用于需要快速数据传输但可以容忍少量数据丢失的应用，如实时视频流和在线游戏。
（2）应用层（Application Layer）：应用层是开发者编写应用程序的地方，它包括各种协议和服务，如HTTP（超文本传输协议）、FTP（文件传输协议）、SMTP（简单邮件传输协议）、DNS（域名系统）等。开发者在应用层负责实现特定的应用逻辑和功能，以满足用户需求。这是开发者可以创造各种各样应用程序的地方，包括Web应用、社交媒体平台、电子邮件客户端等。
传输层主要使用的两种协议，即TCP和UDP，在网络通信中扮演不同的角色，适用于不同类型的应用和场景。具体两者的区别和实现过程将在后续的章节中进行详细讲解。