RS-232 串口通信在汽車(chē)檢測(cè)儀器設(shè)備中的應(yīng)用及故障處理方法

佛山市南海瀚順機(jī)動(dòng)車(chē)檢測(cè)有限公司 羅永康

隨著計(jì)算機(jī)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(dòng)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(shí)現(xiàn)了工作效率上的優(yōu)化。在工業(yè)自動(dòng)化中，需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀器設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)精確的處理，同時(shí)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(jī)為上位機(jī)，單片機(jī)為下位機(jī)，單片機(jī)直接面對(duì)被控制對(duì)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(lái)完成的。本文論述RS-232串口通信在汽車(chē)檢測(cè)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(shí)來(lái)探討其在汽車(chē)檢測(cè)儀器設(shè)備上的使用注意事項(xiàng)和故障處理方法。

1 RS-232串口通信在汽車(chē)檢測(cè)儀器設(shè)備上的應(yīng)用

目前，在我國(guó)，在用汽車(chē)檢測(cè)是國(guó)家強(qiáng)制性的，包括安全檢測(cè)、性能檢測(cè)和環(huán)保檢測(cè)，在用汽車(chē)執(zhí)行國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并按要求進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)。汽車(chē)的檢測(cè)項(xiàng)目由檢驗(yàn)人員操作各工位上的儀器設(shè)備來(lái)完成，各工位上的儀器設(shè)備通過(guò)RS-232串行通信接口連接至工控機(jī)并與其通信，工控機(jī)連接局域網(wǎng)，服務(wù)器連接外域網(wǎng)平臺(tái)，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(chē)檢測(cè)儀器有尾氣分析儀、不透光煙度計(jì)、雷達(dá)外廓檢測(cè)儀、油耗測(cè)試儀、前照燈檢測(cè)儀、聲級(jí)計(jì)、路試儀、GPS速度測(cè)試儀、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)試儀和環(huán)境氣象站；使用RS-232串口通信的汽車(chē)臺(tái)架設(shè)備有底盤(pán)測(cè)功機(jī)、車(chē)速檢測(cè)臺(tái)、制動(dòng)檢測(cè)臺(tái)、側(cè)滑檢測(cè)臺(tái)、軸重檢測(cè)臺(tái)和懸架裝置檢測(cè)臺(tái)。

圖1 RS-232串口通信在汽車(chē)檢測(cè)儀器設(shè)備中應(yīng)用

2 RS-232串口通信的簡(jiǎn)介

2.1 RS-232C標(biāo)準(zhǔn)

RS-232C標(biāo)準(zhǔn)（協(xié)議）的全稱(chēng)是EIA-RS-232C標(biāo)準(zhǔn)，是常用的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)之一。其中EIA（Electronic Industry Association）代表美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)，RS（Recommeded standard）代表推薦標(biāo)準(zhǔn)，232是標(biāo)識(shí)號(hào)，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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了串行通信接口的連接電纜、機(jī)械特性、電氣特性、信號(hào)功能及傳送過(guò)程。

2.2 RS-232接口連接器的類(lèi)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(lèi)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(hào)線的功能定義

DB-25連接器中RS-232標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(hào)說(shuō)明見(jiàn)表1所列。

表1 DB-25連接器中RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口常用端子的信號(hào)說(shuō)明

2.4 RS-232通信物理接口

大多數(shù)汽車(chē)檢測(cè)儀器設(shè)備采用單片機(jī)89C系列來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制及數(shù)據(jù)傳輸，并通過(guò)RS-232接口與上位機(jī)進(jìn)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(jī)（計(jì)算機(jī)）和下位機(jī)之間的物理接口

計(jì)算機(jī)使用DB-9接口作為COM1口，下位機(jī)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(rèn)計(jì)算機(jī)DB-9接口連接器、MAX232芯片上TXD（發(fā)送）、RXD（接收）、GND（信號(hào)地）端子。根據(jù)計(jì)算機(jī)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T(mén)XD（發(fā)送）端子、端子5為GND（信號(hào)地）端子；根據(jù)MAX232芯片的端子定義，得知端子7為T(mén)XD（發(fā)送）端子、端子8為RXD（接收）端子、端子15為GND（信號(hào)地）端子。接著將計(jì)算機(jī)DB-9接口連接器的端子2與MAX232芯片的端子7連接；計(jì)算機(jī)DB-9接口連接器的端子3與MAX232芯片的端子8連接；計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)和MAX232芯片的連接示意

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

汽車(chē)檢測(cè)系統(tǒng)中的儀器若要實(shí)現(xiàn)自身的操作功能，除了需要與計(jì)算機(jī)通信外，還需要與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)或指令交換。MAX232芯片內(nèi)部集成有2個(gè)RS-232驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)滿足計(jì)算機(jī)和單片機(jī)的通信要求。MAX232芯片上的其中一組端子7、端子8與計(jì)算機(jī)連接通信，另外一組端子9、端子10與單片機(jī)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(lái)描述數(shù)據(jù)的傳輸速率。所謂波特率，即每秒傳送二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，其單位為bps。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)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(gè)，那么字節(jié)中每一位傳送時(shí)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(shí)間，實(shí)現(xiàn)I/O口的串行通信時(shí)序；一般可以靈活選擇波特率，但需要注意的是，上、下位機(jī)波特率要一致；對(duì)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(jì)算機(jī)、單片機(jī)和MAX232芯片的連接示意

汽車(chē)檢測(cè)儀器設(shè)備的波特率一般選擇2400 bps，這樣能更好地實(shí)現(xiàn)過(guò)程數(shù)據(jù)的響應(yīng)。

2.5.2 起始位（Start Bit）

起始位是用來(lái)表示單個(gè)數(shù)據(jù)包中的開(kāi)始字符傳送位，起始位使數(shù)據(jù)線開(kāi)始處于低電平邏輯0狀態(tài)，提示接收器數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好開(kāi)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(shí)際數(shù)據(jù)位的參數(shù)，數(shù)據(jù)位的標(biāo)準(zhǔn)值是5位、7位、8位。比如，標(biāo)準(zhǔn)的ASCII碼是0～127（7位），擴(kuò)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(lái)決定。

2.5.4 奇偶校驗(yàn)位

在串口通信中一般會(huì)設(shè)置校驗(yàn)位，以數(shù)據(jù)位后面的一位進(jìn)行檢錯(cuò)，用一個(gè)值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶數(shù)個(gè)或奇數(shù)個(gè)邏輯高位。

2.5.5 停止位

停止位是用來(lái)表示單個(gè)數(shù)據(jù)包中的最后一位，其值為1位、1.5位或2位。因?yàn)樗l(fā)出的數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中是有持續(xù)時(shí)間點(diǎn)的，所以需要停止位來(lái)表示傳輸結(jié)束。另外，對(duì)于每臺(tái)設(shè)備來(lái)說(shuō)都會(huì)有自己的時(shí)鐘，很可能在通信中兩臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)時(shí)鐘不同步問(wèn)題，設(shè)置停止位能夠?yàn)橛?jì)算機(jī)提供校正時(shí)鐘同步的機(jī)會(huì)。

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(fù)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(shí)際使用中，經(jīng)過(guò)測(cè)量，得知-3 V～3 V為過(guò)渡區(qū)，-9 V～-7 V為合理驅(qū)動(dòng)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(hào)有效時(shí)為ON狀態(tài)，接通，正電壓；信號(hào)無(wú)效時(shí)為OFF狀態(tài)，斷開(kāi)，負(fù)電壓。

2.6.1 PC機(jī)RS-232接口與單片機(jī)之間的電路

因?yàn)镻C機(jī)RS-232接口信號(hào)電平與單片機(jī)的信號(hào)電平（TTL電平，TTL是Transistor-Transistor Logic，即晶體管-晶體管邏輯的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是計(jì)算機(jī)處理器控制的設(shè)備內(nèi)部各部分相互之間通信的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)）不一致，所以在它們之間需要設(shè)置電路來(lái)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。通常這個(gè)電路都選擇專(zhuān)用的RS-232接口電平轉(zhuǎn)換集成電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，如MAX232芯片、HIN232芯片等。

在實(shí)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(lái)完成電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化后的串口信號(hào)TXD和RXD就可以直接與上位機(jī)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(duì)于十六進(jìn)制數(shù)據(jù)55aaH，當(dāng)采用8位數(shù)據(jù)位、1位停止位傳輸時(shí)，首先傳輸?shù)谝粋€(gè)字節(jié)55，接著傳輸?shù)诙€(gè)字節(jié)aa，每個(gè)字節(jié)都是從低位向高位逐位進(jìn)行傳輸。它在信號(hào)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(jìn)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(chē)檢測(cè)儀器設(shè)備采用半雙工和全雙工的傳輸方式，擁有強(qiáng)大的服務(wù)功能，且方便固件升級(jí)。

2.7.1 數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收

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

圖8 上位機(jī)與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信

2.7.2 通信協(xié)議

上位機(jī)和下位機(jī)通信雙方共同達(dá)成應(yīng)答模式的約定功能碼，包括對(duì)數(shù)據(jù)格式、同步方式、傳送速度、傳送步驟、檢錯(cuò)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(diǎn)

RS-232串口通信優(yōu)點(diǎn)包括以下3點(diǎn)。

（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(tái)計(jì)算機(jī)或工控機(jī)可配備多個(gè)RS-232串行通信接口，其方法是直接在計(jì)算機(jī)或工控機(jī)的擴(kuò)展槽上增加多串口卡（Moxa卡），安裝、維修簡(jiǎn)單。

（3）RS-232串行通信接口一般只使用3條信號(hào)線，就能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，有效節(jié)約了成本，并降低了因信號(hào)線過(guò)多而造成的信號(hào)干擾。

RS-232串口通信也存在其不足的地方，包括以下4點(diǎn)。

（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(yán)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(hào)電平較高，很容易會(huì)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(hào)線和一根信號(hào)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(chē)檢測(cè)儀器設(shè)備上RS-232串口通信的使用注意事項(xiàng)及故障處理方法

結(jié)合以往工作經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)將汽車(chē)檢測(cè)儀器設(shè)備上RS-232串口通信的使用注意事項(xiàng)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(shí)際使用過(guò)程中，普通三芯線建議不能超過(guò)60 m（室內(nèi)）；使用超六類(lèi)網(wǎng)線建議不能超過(guò)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(hù)儀器設(shè)備上的MAX232芯片。

（3）在汽車(chē)檢測(cè)線上，確保檢測(cè)系統(tǒng)、檢測(cè)儀器、檢測(cè)設(shè)備的正常運(yùn)作是前提，否則會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)的缺失，無(wú)法形成合格的車(chē)輛檢測(cè)報(bào)告單。若出現(xiàn)不能通信的故障，快速的處理方法是，對(duì)調(diào)儀器設(shè)備上的通信線進(jìn)行確認(rèn)，但需要注意設(shè)置對(duì)應(yīng)的COM口和波特率的同步，從而快速確定上、下位機(jī)的問(wèn)題所在。

（4）對(duì)于單片機(jī)串口通信的檢查，可使用萬(wàn)用表分級(jí)測(cè)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(jí)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(duì)調(diào)MAX232芯片進(jìn)行芯片故障的確認(rèn)。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(dòng)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(cè)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(wèn)題。