PORT SÉRIE VIRTUEL - TECHNOLOGIE DE BASE

Un « port de communication série virtuel » est une fonction logicielle qui émule un port de communication série matériel pour transmettre des données selon un protocole de transmission série, et redirige les données vers un terminal utilisant une autre technologie de communication. En automatisme, cette fonctionnalité peut être très utile lorsque le port série virtuel redirige les données vers un port Ethernet.

Un port série virtuel peut être utilisé comme interface de communication lorsque :

• Un des équipements connectés ( un logiciel, un équipement matériel tel qu'un contrôleur ou un capteur de mesures ) ne peut communiquer qu'en utilisant une interface série point à point ( RS 232, ou USB par exemple ).
• Et que l'une de ces situations se présente ( liste non exhaustive ) :
  • La distance entre les interlocuteurs est importante.
  • Un des équipements est difficilement accessible.
  • Un des interlocuteurs ne dispose pas de port série matériel.

Pour illustrer le propos, prenons comme exemple un logiciel de diagnostic d'un instrument de mesure qui ne peut se connecter qu'avec une liaison série RS 232 pour accéder aux données d'un capteur de mesure de niveau radar à onde guidée, comme le détecteur HART « Optiflex 1300 C » conçu et produit par la société « Krohne » ( ce qui nécessitera un modem HART pour s'interfacer avec le capteur ).

Prenons comme hypothèse que vous êtes en intervention chez un client en Suède ( Hallå, hallå ! ), et que vous souhaitiez établir le diagnostic de ce capteur installé sur un site lointain, chez nos amis Maoris ( Kia ora, kia ora ! ) en Nouvelle-Zélande, près de Auckland.

Il ne semble pas raisonnable de vouloir se connecter avec un câble de liaison série RS 232 ou USB d'une longueur d'environ 20 000 kilomètres.

Une solution est alors d'utiliser les services de port de communication série virtuel :

• Installés en tant que clients dans l'équipement à l'initiative des requêtes.

  ( Dans cet exemple, il s'agit du logiciel de diagnostic qui s'exécute dans le PC de maintenance en Suède )

• Installés en tant que serveur dans l'équipement distant qui répond aux requêtes.

  ( Dans cet exemple, un automate programmable, pourvu d'un port série RS 232 matériel connecté au capteur )

Chaque station est équipée d'un modem ADSL, d'un modem GPRS, d'un modem de communication par satellite ou de n'importe quel autre modem compatible Ethernet. Les données transiteront via un réseau Ethernet, et dans le cas de cet exemple fort probablement via Internet.

Un des bénéfices qu'apporte l'utilisation d'un port série virtuel en association avec le standard de communication Ethernet est que les communications étant entièrement numériques, elles sont très stables et très robustes vis à vis des perturbations électromagnétiques.

Ce port COM virtuel est client vis à vis des données, c'est à dire qu'il va initier les requêtes et émettre des demandes ( une demande de lecture, une demande d'écriture ou l'envoi d'un ordre par exemple ).

Configuration.

• Un logiciel de port de communication virtuel client est installé, configuré et en service en tant que port série RS 232 affecté au port 'COM y', pour communiquer avec un port série virtuel serveur dont l'adresse IP est 'v.v.v.v:m'.
• Le logiciel de diagnostic du capteur de mesure est configuré pour communiquer au travers du port série 'COM y'.
• Les paramètres de transmission du port série ( vitesse, parité, bit de stop, acquittements etc ) sont identiques pour le logiciel de diagnostic et pour le port virtuel client.

Description du fonctionnement.

• Le logiciel de diagnostic émet des requêtes vers le port série virtuel client 'COM y'.

  Pour lui, il s'agit d'un port série RS232 standard.

• En émission ( vers le capteur ), le port série virtuel client extrait les données utiles du flux de données en série, range ces données dans un ou plusieurs paquets TCP selon le volume de données, construit la trame TCP-IP à destination du port série virtuel serveur d'adresse 'v.v.v.v:m', et envoie cette trame sur un des ses ports Ethernet, vers le modem compatible Ethernet.
• En réception, les opérations se font en sens inverse, à partir des données reçues du capteur connecté au port virtuel serveur d'adresse IP 'v.v.v.v:m', données transmises par le modem ou par le routeur Ethernet.

Ce port COM virtuel est serveur vis à vis des données, c'est à dire qu'il va servir des données en réponse aux requêtes initiées par un client.

Configuration.

• L'automate programmable dispose de la fonction de port série virtuel serveur, d'un port série matériel et d'une connexion Ethernet.
• Le port série virtuel serveur est configuré pour être accessible via le port Ethernet N° 'm' et pour échanger directement des données avec le port série 'COM z' ( le « vrai » port ) en service pour la connexion matérielle.
• Les paramètres de transmission série ( RS 232 ) du modem HART, du port série 'COM z' et du port série virtuel sont identiques ( vitesse, parité, acquittements etc ).

Description du fonctionnement.

• Quand le port virtuel serveur reçoit un ou plusieurs paquets TCP ( selon le volume de données ) sur le port N° 'm' via le routeur Ethernet, il extrait les données utiles de ces paquets, puis il séquence et formate ces données avant de les transmetre au port série 'COM z' dans le respect du protocole de transmission série approprié. Le port de communication se charge de transmettre ces données au modem.
• Ensuite, le modem HART convertit les données en un signal 4-20 mA vers le capteur de mesure, en accord avec les spécifications du protocole HART.
• Le capteur de mesure reçoit les données des requêtes et y répond, le traitement des données en retour est en sens inverse.

Dans le cas où aucune application d'automatisme ou autre n'est nécessaire, une solution plus économique pour mettre en service un « port de communication série virtuel serveur » est d'utiliser un commutateur Ethernet, un routeur Ethernet ou un modem compatible Ethernet ( ADSL, satellite etc ) qui propose ce service, et qui est équipé d'un connecteur série matériel ( RS 232 ou USB selon les besoins ).

Dans ce cas, l'équipement dirige les données reçues du port Ethernet externe vers le port Ethernet interne N° 'm' ( le port série virtuel ) lorsque celui-ci est le destinataire, et vers le connecteur Ethernet local lorsque l'adresse du port de destination est différente de 'm'.

Réciproquement, lorsque le serveur virtuel reçoit une réponse sur son port série, il redirige les données reçues vers le port Ethernet N° 'm' à destination de l'équipement qui a émis la requête ( d'adresse IP = 'x.x.x.x:n' ), ces seront transmises directement vers le connecteur externe.

Pour ce qui concerne les automates programmables propriétaires, les automates eWon offrent la fonction de port série virtuel serveur en association avec un connecteur série RS232 matériel par exemple.

Pour les systèmes de contrôle open source sous Linux comme « Proview » par exemple, ou pour tout autre équipement utilisant ce procédé virtuel de communication, la solution est purement logicielle et consiste à utiliser les différents outils mis à disposition par le système d'exploitation.

Sur Linux, différentes techniques peuvent être utilisées pour mettre en place un port série virtuel serveur : en utilisant diverses commandes de redirection de flux et de configuration de terminal, en redirigeant les flux dans des fichiers, en utilisant des commandes enchaînées, ou / et en écrivant son propre programme en langage C, selon les besoins.

Voici une liste de quelques drivers de port virtuel client dédiés aux systèmes d'exploitation Microsoft et qui fonctionnent bien. Vous en trouverez très peu sur le marché qui soient complètement libres : la majorité des solutions disponibles proposent au maximum un port série exploitable sans licence, ce qui peut augmenter considérablement les coûts d'une installation conséquente, à moins de programmer un tel pilote soi-même bien sûr.

• Le logiciel eVcom ( ) est distribué gratuitement par la société eWon et il est complètement libre.

  Il supporte le protocole RawTCP, les échanges de données entre les protocoles modbus RTU et modbus TCP, ainsi que le protocole MPI ( Siemens ).

  www.ewon.biz  

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• HW VSP3 ( ) est libre pour un seul port virtuel client.

  www.hw-group.com

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• Com0com ( ) est un projet open source.

  Il s'agit d'un émulateur de null-modem qui peut être associé au sous-module « redirection des ports COM vers TCP » pour agir en tant que port série virtuel client sur Ethernet.

  https://com0com.sourceforge.net/

Fort heureusement, il existe au moins une solution performante et économique pour implémenter des ports série virtuels client sur les systèmes Microsoft sans aucune limitation ni surcoût.

Le système d'exploitation Linux offre plusieurs possibilités de traiter les données d'un port virtuel client, librement, sans limitation, avec des moyens sûrs et robustes. En voici au moins deux, pour le principe.

Utiliser les commandes Linux de redirection et de « pipe » ( '|' ) : il faut rediriger le flux Ethernet vers un flux RS232.

Utiliser la très puissante et très performante commande « socat » ( ).

Cette commande appelle un programme utilitaire Linux qui crée deux flux de données bidirectionnels et transfère les données entre eux ( sous Linux, un flux de données doit être compris comme la lecture ou l'écriture de données avec un port de communication, un fichier ou n'importe quel composant ).

Elle permet donc de dialoguer avec un équipement distant quels que soient les flux de données considérés.

Cerise sur le gâteau, il est très facile de gérer le tout via un réseau privé virtuel ( VPN ) associé à SSH.

http://www.dest-unreach.org/socat/ ( )

Pour s'affranchir des limitations et des coûts dus à l'exploitation d'un logiciel qui tourne sous un système d'exploitation propriétaire, une possibilité est d'implémenter un port série virtuel sur une machine Linux, et d'y installer une machine virtuelle ( Virtual Box, VMware etc … ) qui hébergera ledit système propriétaire et les applications utilisées.

Le nombre de ports série clients ne sera limité que par les capacités du système d'exploitation hébergé ( l'invité ) dans la machine virtuelle et par les caractéristiques du logiciel de diagnostic.

Si vous optez pour l'utilisation d'un VPN pour des raisons de sécurité et de sûreté, vous obtiendrez un système entièrement virtuel avec un réseau privé virtuel, des ports série virtuels et une machine virtuelle !

• Le port série virtuel client est géré par la machine hôte Linux à l'aide de la puissante commande « socat ».
• « socat » redirige les données entre le port Ethernet et un port série Linux.
• La machine virtuelle est configurée de telle sorte que chacun des ports série utilisés par l'application de diagnostic ou de traitement de données est associé à un port série Linux.