佛山市南海瀚順機動車檢測有限公司 羅永康

隨著計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，生產(chǎn)第一線的儀器設(shè)備有序地完成著各自的操作，使得工業(yè)自動化的傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、管理系統(tǒng)的功能得以充分發(fā)揮，從而實現(xiàn)了工作效率上的優(yōu)化。在工業(yè)自動化中，需要對現(xiàn)場儀器設(shè)備的數(shù)據(jù)進行實時精確的處理，同時儀器設(shè)備又要完成自身內(nèi)部的各種指令。通常以工控機為上位機，單片機為下位機，單片機直接面對被控制對象。它們相互間有著大量的數(shù)據(jù)需要交換，而這些都是由RS-232串口通信來完成的。本文論述RS-232串口通信在汽車檢測儀器設(shè)備上的應(yīng)用，并結(jié)合RS-232串口通信的相關(guān)知識來探討其在汽車檢測儀器設(shè)備上的使用注意事項和故障處理方法。

1 RS-232串口通信在汽車檢測儀器設(shè)備上的應(yīng)用

目前，在我國，在用汽車檢測是國家強制性的，包括安全檢測、性能檢測和環(huán)保檢測，在用汽車執(zhí)行國家相關(guān)標準并按要求進行相應(yīng)的檢測。汽車的檢測項目由檢驗人員操作各工位上的儀器設(shè)備來完成，各工位上的儀器設(shè)備通過RS-232串行通信接口連接至工控機并與其通信，工控機連接局域網(wǎng)，服務(wù)器連接外域網(wǎng)平臺，具體的工作示意如圖1 所示。其中，使用RS-232串口通信的汽車檢測儀器有尾氣分析儀、不透光煙度計、雷達外廓檢測儀、油耗測試儀、前照燈檢測儀、聲級計、路試儀、GPS速度測試儀、發(fā)動機轉(zhuǎn)速測試儀和環(huán)境氣象站；使用RS-232串口通信的汽車臺架設(shè)備有底盤測功機、車速檢測臺、制動檢測臺、側(cè)滑檢測臺、軸重檢測臺和懸架裝置檢測臺。

圖1 RS-232串口通信在汽車檢測儀器設(shè)備中應(yīng)用

2 RS-232串口通信的簡介

2.1 RS-232C標準

RS-232C標準（協(xié)議）的全稱是EIA-RS-232C標準，是常用的串行通信接口標準之一。其中EIA（Electronic Industry Association）代表美國電子工業(yè)協(xié)會，RS（Recommeded standard）代表推薦標準，232是標識號，C代表RS-232的最新一次修改（1969年），在這之前有RS-232A、RS-232B。RS-232C標準的全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間串行二進制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標準”。該標準規(guī)定了串行通信接口的連接電纜、機械特性、電氣特性、信號功能及傳送過程。

2.2 RS-232接口連接器的類型和結(jié)構(gòu)

由于RS-232C并未定義連接器的物理特性，因此出現(xiàn)了DB-25、DB-15和DB-9各種類型的連接器，其端子定義各不相同。其中，DB-25、DB-9連接器的結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 DB-25、DB-9連接器的結(jié)構(gòu)示意

2.3 RS-232接口主要信號線的功能定義

DB-25連接器中RS-232標準接口有25條線，分別為4條數(shù)據(jù)線、11條控制線、3條定時線和7條備用未定義線，其中常用的有9條線，其端子的信號說明見表1所列。

表1 DB-25連接器中RS-232標準接口常用端子的信號說明

2.4 RS-232通信物理接口

大多數(shù)汽車檢測儀器設(shè)備采用單片機89C系列來實現(xiàn)自動控制及數(shù)據(jù)傳輸，并通過RS-232接口與上位機進行數(shù)據(jù)通信。常用的物理接口有以下2種。

2.4.1 上位機（計算機）和下位機之間的物理接口

計算機使用DB-9接口作為COM1口，下位機使用MAX232芯片，建立RS-232串口通信的具體方法如下。

首先需要確認計算機DB-9接口連接器、MAX232芯片上TXD（發(fā)送）、RXD（接收）、GND（信號地）端子。根據(jù)計算機DB-9接口連接器的端子定義，得知端子2為RXD（接收）端子、端子3為TXD（發(fā)送）端子、端子5為GND（信號地）端子；根據(jù)MAX232芯片的端子定義，得知端子7為TXD（發(fā)送）端子、端子8為RXD（接收）端子、端子15為GND（信號地）端子。接著將計算機DB-9接口連接器的端子2與MAX232芯片的端子7連接；計算機DB-9接口連接器的端子3與MAX232芯片的端子8連接；計算機DB-9接口連接器的端子5與MAX232芯片的端子15連接并形成公共接地。具體的線路連接示意如圖3所示。

圖3 計算機和MAX232芯片的連接示意

2.4.2 上位機（計算機）、單片機89C系列和MAX232芯片之間的物理接口

汽車檢測系統(tǒng)中的儀器若要實現(xiàn)自身的操作功能，除了需要與計算機通信外，還需要與單片機進行數(shù)據(jù)或指令交換。MAX232芯片內(nèi)部集成有2個RS-232驅(qū)動器，同時滿足計算機和單片機的通信要求。MAX232芯片上的其中一組端子7、端子8與計算機連接通信，另外一組端子9、端子10與單片機連接通信。具體的線路連接示意如圖4所示。

2.5 串口通信參數(shù)

2.5.1 波特率的概念

在串行通信中，用“波特率”來描述數(shù)據(jù)的傳輸速率。所謂波特率，即每秒傳送二進制數(shù)碼的位數(shù)，其單位為bps。RS-232C標準中規(guī)定的傳送速率有50 bps、75 bps、110 bps、150 bps、300 bps、600 bps、1200 bps、2400 bps、4800 bps、9600 bps、19200 bps。如果設(shè)定數(shù)據(jù)傳送的波特率為2400 bps，采用N.8.1幀格式（10位），則1 s傳送字節(jié)為2400個，那么字節(jié)中每一位傳送時間就是波特率的倒數(shù)：t=1/2400=0.00042 ms。

由此可知，根據(jù)數(shù)據(jù)傳送的波特率，就可以確定出每一位字節(jié)的傳送時間，實現(xiàn)I/O口的串行通信時序；一般可以靈活選擇波特率，但需要注意的是，上、下位機波特率要一致；對于設(shè)備是慢速的應(yīng)選擇較低的傳送速率；反之，建議選擇較高的傳送速率。

圖4 計算機、單片機和MAX232芯片的連接示意

汽車檢測儀器設(shè)備的波特率一般選擇2400 bps，這樣能更好地實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)的響應(yīng)。

2.5.2 起始位（Start Bit）

起始位是用來表示單個數(shù)據(jù)包中的開始字符傳送位，起始位使數(shù)據(jù)線開始處于低電平邏輯0狀態(tài)，提示接收器數(shù)據(jù)準備好開始傳輸。

2.5.3 數(shù)據(jù)位

數(shù)據(jù)位緊跟在起始位之后，它是衡量通信中實際數(shù)據(jù)位的參數(shù)，數(shù)據(jù)位的標準值是5位、7位、8位。比如，標準的ASCII碼是0～127（7位），擴展的ASCII碼是0～255（8位），具體的設(shè)置主要由傳送的信息量來決定。

2.5.4 奇偶校驗位

在串口通信中一般會設(shè)置校驗位，以數(shù)據(jù)位后面的一位進行檢錯，用一個值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶數(shù)個或奇數(shù)個邏輯高位。

2.5.5 停止位

停止位是用來表示單個數(shù)據(jù)包中的最后一位，其值為1位、1.5位或2位。因為所發(fā)出的數(shù)據(jù)包在傳輸過程中是有持續(xù)時間點的，所以需要停止位來表示傳輸結(jié)束。另外，對于每臺設(shè)備來說都會有自己的時鐘，很可能在通信中兩臺設(shè)備出現(xiàn)時鐘不同步問題，設(shè)置停止位能夠為計算機提供校正時鐘同步的機會。

2.5.6 串口通信參數(shù)的格式

串口通信參數(shù)的格式如圖5所示。

2.6 RS-232接口電氣特性

R S-232 C 規(guī)定采用負邏輯電平，DC（-15 V～-3 V）表示邏輯1，DC（3 V～15 V）表示邏輯0。在實際使用中，經(jīng)過測量，得知-3 V～3 V為過渡區(qū)，-9 V～-7 V為合理驅(qū)動電壓。

圖5 串口通信參數(shù)的格式

在TXD、RXD線上，邏輯1（MARK）為-3 V～-15 V；邏輯0（SPACE）為3 V～15 V；在RTS、CTS、DSR、DTR及DCD等控制線上，信號有效時為ON狀態(tài)，接通，正電壓；信號無效時為OFF狀態(tài)，斷開，負電壓。

2.6.1 PC機RS-232接口與單片機之間的電路

因為PC機RS-232接口信號電平與單片機的信號電平（TTL電平，TTL是Transistor-Transistor Logic，即晶體管-晶體管邏輯的簡稱，它是計算機處理器控制的設(shè)備內(nèi)部各部分相互之間通信的標準技術(shù)）不一致，所以在它們之間需要設(shè)置電路來進行電平轉(zhuǎn)換。通常這個電路都選擇專用的RS-232接口電平轉(zhuǎn)換集成電路進行設(shè)計，如MAX232芯片、HIN232芯片等。

在實際應(yīng)用中，MAX232芯片由單一的5 V電源供電，配備高精度的鉭電容RS來完成電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化后的串口信號TXD和RXD就可以直接與上位機連接通信了。

2.6.2 串口通信的傳輸電平數(shù)據(jù)幀格式

串口通信的傳輸電平數(shù)據(jù)幀格式顯示為0和1邏輯關(guān)系，TTL電平和RS-232電平的數(shù)據(jù)幀0和1邏輯關(guān)系是有區(qū)別的，即兩者高低電平不相同。例如，對于十六進制數(shù)據(jù)55aaH，當采用8位數(shù)據(jù)位、1位停止位傳輸時，首先傳輸?shù)谝粋€字節(jié)55，接著傳輸?shù)诙€字節(jié)aa，每個字節(jié)都是從低位向高位逐位進行傳輸。它在信號線上的傳輸波形如圖6和圖7所示。

圖6 TTL電平的串行數(shù)據(jù)幀格式傳輸波形

圖7 RS-232電平的串行數(shù)據(jù)幀格式傳輸波形

2.7 RS-232串口通信流程

在RS-232串口通信中，數(shù)據(jù)是一位一位有序進行傳送的，以應(yīng)答模式建立數(shù)據(jù)交換，具有特定的方向性。按照數(shù)據(jù)流的方向分為單工、半雙工和全雙工3種傳輸方式，大多數(shù)汽車檢測儀器設(shè)備采用半雙工和全雙工的傳輸方式，擁有強大的服務(wù)功能，且方便固件升級。

2.7.1 數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收

如圖8所示，上位機通過TXD發(fā)送出數(shù)據(jù)，下位機通過RXD接收數(shù)據(jù)的流入；下位機通過TXD發(fā)送出數(shù)據(jù)，上位機通過RXD接收數(shù)據(jù)的回應(yīng)，上位機、下位機一問一答完成數(shù)據(jù)或指令交換，按照設(shè)計好的程序執(zhí)行各自的運作。

圖8 上位機與下位機之間的數(shù)據(jù)通信

2.7.2 通信協(xié)議

上位機和下位機通信雙方共同達成應(yīng)答模式的約定功能碼，包括對數(shù)據(jù)格式、同步方式、傳送速度、傳送步驟、檢錯方式、控制字符等做了統(tǒng)一規(guī)定，雙方共同遵守。

3 RS-232串口通信的優(yōu)缺點

RS-232串口通信優(yōu)點包括以下3點。

（1）MAX232芯片因其性能可靠在行業(yè)內(nèi)得到廣泛使用。

（2）一臺計算機或工控機可配備多個RS-232串行通信接口，其方法是直接在計算機或工控機的擴展槽上增加多串口卡（Moxa卡），安裝、維修簡單。

（3）RS-232串行通信接口一般只使用3條信號線，就能實現(xiàn)點對點的通信，有效節(jié)約了成本，并降低了因信號線過多而造成的信號干擾。

RS-232串口通信也存在其不足的地方，包括以下4點。

（1）傳輸速率低，在異步通信中很少被采用。

（2）抗噪聲干擾性差，嚴重影響了數(shù)據(jù)傳輸距離，尤其是在高波特率的情況下，傳輸距離更短。

（3）RS-232串行通信接口的信號電平較高，很容易會導(dǎo)致接口電路上的芯片燒壞。

（4）RS-232串行通信接口使用一根信號線和一根信號返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，很容易產(chǎn)生共模干擾。

4 汽車檢測儀器設(shè)備上RS-232串口通信的使用注意事項及故障處理方法

結(jié)合以往工作經(jīng)驗，現(xiàn)將汽車檢測儀器設(shè)備上RS-232串口通信的使用注意事項及故障處理方法總結(jié)如下。

（1）設(shè)置RS-232串口通信有效的數(shù)據(jù)傳輸距離，理論的傳輸距離為10 m，一般限于15 m內(nèi)；在實際使用過程中，普通三芯線建議不能超過60 m（室內(nèi)）；使用超六類網(wǎng)線建議不能超過150 m（室內(nèi)）。另外，數(shù)據(jù)傳輸距離還需要考慮波特率的設(shè)置，一般情況下，低波特率比較穩(wěn)定，但是傳輸速率慢；反之，高波特率傳輸速率快，但容易出現(xiàn)被干擾的情況。

（2）在雷雨季節(jié)，使用串口隔離器能夠更有效地保護儀器設(shè)備上的MAX232芯片。

（3）在汽車檢測線上，確保檢測系統(tǒng)、檢測儀器、檢測設(shè)備的正常運作是前提，否則會導(dǎo)致檢測項目數(shù)據(jù)的缺失，無法形成合格的車輛檢測報告單。若出現(xiàn)不能通信的故障，快速的處理方法是，對調(diào)儀器設(shè)備上的通信線進行確認，但需要注意設(shè)置對應(yīng)的COM口和波特率的同步，從而快速確定上、下位機的問題所在。

（4）對于單片機串口通信的檢查，可使用萬用表分級測量TXD線的電壓（正常情況下，TXD線的電壓應(yīng)為-10 V～-5 V），從而判斷是前、后級TXD線的故障，還是MAX232芯片故障。

（5）MAX232芯片一般設(shè)置為可插拔式，可直接對調(diào)MAX232芯片進行芯片故障的確認。注意儀器設(shè)備應(yīng)處于斷電狀態(tài)，并留意MAX232芯片連接器的連接方向。另外，在工業(yè)自動化控制中，MAX202芯片和MAX232芯片一般可以互換使用。

（6）使用串口通信測試軟件或監(jiān)控軟件做助手，能夠更好地判斷和處理串口通信的問題。