1 概述

随着国民经济和科学技术的快速发展, 电子衡器已经进入各行各业, 得到了快速应用和发展, 不再是单纯的称重计量和贸易结算, 而是发展到了含有称重的自动控制、 安全保护控制、 生产工艺的控制、产品质量的控制以及生产成本的控制等各个系统,应用范围和行业不断扩大; 随着信息时代的到来, 需要衡器仪表与计算机之间的数据通讯越来越多, 由于串行通讯方式具有使用线路少、 成本低, 特别是在远程传输时, 得到广泛采用。 RS- 232 接口是串行数据接口标准之一, 由电子工业协会( EIA ) 制订并发布。 目前 RS- 232 是 PC 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口, 在称重显示控制器中也是最基本的串行接口, 随着电子衡器应用的普及和应用环境的差异, 称重显示器的串口在实际应用中损坏的事情时常发生, 常常会莫明其妙地损坏, 给用户和衡器生产厂家都造成了不小的经济损失, 因此有必要进行分析和研究, 保护串口正常工作, 降低损坏程度,减少经济损失。

2 串口的基本知识

2.1 RS- 232- C 接口( 又称 EIA RS- 232- C ) 是目前最常用的一种串行通讯接口, 在称重显示控制器中也得到广泛应用。 它是在 1970 年由美国电子工业协会( EIA ) 联合贝尔系统、 调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。 它的全名是 “ 数据终端设备 ( DTE ) 和数据通讯设备 (DCE ) 之间串行二进制数据交换接口技术标准” 。该标准规定采用一个 25 个脚的 DB25 连接器, 对连接器的每个引脚的信号内容加以规定, 还对各种信号的电平加以规定。

2.1.1 接口的信号内容

实际上 RS- 232- C 的 25 条引线中有许多是很少使用的, 在计算机与终端通讯中一般只使用 3- 9条引线, 因此也产生了很多种非标的 RS- 232- C 接口, 有采用9 脚的 DB9 连接器的, 也有采用其他方式的连接, 具体要参考设备的使用说明书。

2.1.2 接口的电气特性

在 RS-232-C 中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即: 逻辑 “ 1 ” , - 5～ - 15V ; 逻辑 “ 0 ” +5～ +15V 。噪声容限为 2V 。 即要求接收器能识别低至 +3V 的信号作为逻辑 “ 0 ” , 高到 - 3V 的信号作为逻辑 “ 1 ” 。

2.1.3 一些设备与 PC 机连接的 RS- 232- C接口, 因为不使用对方的传送控制信号, 只需三条接口线, 即 “ 发送数据” 、 “ 接收数据” 和 “ 信号地” ,所以采用 DB- 9 的 9 芯插头座, 传输线采用屏蔽双绞线。

2.1.4 数据传输距离

误码率 <4% 时达到 15 米, 实际误码率允许 10%～ 20% , 15 米是比较保守的数据。

2.2 由于 RS- 232- C 接口标准出现较早, 难免有不足之处, 主要有以下四点:

2.2.1 接口的信号电平值较高, 易损坏接口电路的芯片, 又因为与 TTL 电平不兼容, 故需使用电平转换电路方能与 TTL 电路连接。

2.2.2 传输速率较低, 在异步传输时, 波特率为20kbps 。

2.2.3 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式, 这种共地传输容易产生共模干扰, 所以抗噪声干扰性弱。

2.2.4 传输距离有限, 最大传输距离标准值为15m , 实际上也只能用在 50 米左右。

2.3 现在称重显示控制器中用到的 RS- 232- C接口芯片, 主要是某公司生产的 MAX202E 和MAX232E 系列转换芯片, 由 TTL 电平转换为 RS-232- C 电平或由 RS- 232- C 电平转换为 TTL 电平。

某公司的 MAX202 芯片为标准的 RS-232 电平转换器, 符合 RS- 232 通信标准, 功耗低, 集成度高, 只用单一 5V 电源, 片内有电压倍增器和电压变换器 , 输出 RS232 需要的 ± 10V 电平, 每片有两个驱动器和两个接收器, 具有两组接收和发送通道,全部接口电路简单, 可靠性高, 实现 TTL 电平和RS- 232 电平的直接转换。

该芯片的上半部分是电源变换部分。下半部分为发送和接收部分。实际应用中, T1IN 、 T2IN 和R1OUT 、 R2OUT 可分别连接 TTL/CMOS 电平的 51单片机的串行发送端 TxD 和接收端 RxD ; R1IN 、R2IN 和 T1OUT 、 T2OUT 分别连接至 RS- 232 电平的PC 机串行接收端和发送端。

MAX202E 和 MAX232E 系列转换芯片均集成了 ESD 保护 ( 通常符合 IEC 标准) 或过压保护。 这种保护在上电或掉电情况下都有效, 即使是在 ± 15kVESD 冲击下也不会引发锁定效应。

ESD 具体指标如下:

3 串口损坏原因分析

由于串口设备间收发信号没有隔离, 来自于通信线缆的直流电位差, 使信号线经常受到各种干扰。串口通信在点对多点的应用中, 因为串口通信距离的限制 ( 传输距离短一般为 15 米) , 形成了一个易吸收干扰信号的短距网状天线。 浪涌、 雷击还能通过串口通信线缆相邻的电力线、 电话线等进入, 产生感应电动势, 形成对串口的冲击。 常见造成对串口设备影响的原因还有: 日光灯、 电梯马达、 大型发动机等重型设备的开启、 短路、 地电位差、 电源切换、 静电释放等。

由于 RS- 232 串口通信线对电压浪涌特别敏感,仅几十伏的小幅瞬变过程就可以通过串行端口造成数据丢失、 硬件损坏、 系统崩溃。 虽然 MAX202E和 MAX232E 系列转换芯片可承受 ± 15kVESD 保护( 通常符合 IEC 标准) 或过压保护, 但也不能保证串口在实际使用中不损坏。

通过理论分析和实际案例, 总结出以下造成串口损坏的原因:

· 开、 关机或串口带电拔插。

·称重仪表与计算机等接地不良, 造成地电位差过高。

·有较大的静电放电现象。

·由于走线不合理, 在通讯线上感应产生较大的感应电动势, 造成串口损坏。

· 由于雷击等外界因素影响, 造成串口损坏。

·一端已损坏的串口造成另一端串口的损坏。

4 串口防护

使用中的防护:

4.1 注意开、 关机的顺序, 应先开外设, 后开主机, 关机正好相反。

4.2 严禁串口带电拔插。强烈建议不要带电插拔串口, 插拔时至少有一端是断电的, 否则串口易损坏。

4.3 保证将称重仪表与计算机等接地良好,消除地电位差。应设法保证地电位差在 1V 以内,最好为 0V 。

4.4 注意通讯线的走向, 避免通讯线与电力线特别是带感性负载、 频繁启动的电力线太近, 以避免感应电压对串口通讯的干扰和损坏。

4.5 必要时采用带屏蔽的双绞线, 以减小外界对串口的影响。

若采用以上方法还不能有效避免干扰和损坏,应采取以下措施:

 

4.5.1 在称重显示控制器内增加保护器件, 降低串口损坏几率。 现在有很多保护器件, 例抗雷击浪涌保护器和防静电保护器, 可以选择合适的规格, 得到最佳的保护效果, 可以防止雷击等浪涌电压对串口的损坏。

4.5.2 采用串口隔离技术, 对通讯线路要隔离,对电源供电系统也要进行隔离, 供电隔离可以采用例 MAX253 等专用供电隔离器件, 通讯线路可以采用光电隔离进行隔离, 但应选用高速器件, 由于光电耦合器是限制接口通讯速率的主要因素。

4.5.3 可以外接专用的串口隔离器, 现在市场上有很多各种各样的串口隔离器可以选择, 这些串口隔离器大多采用光电隔离技术, 有的可以实现瞬间隔离电压7000V , 持续隔离电压 500V , 免电源,免上电, 可带电插拔, 具有 9 转 9 、 9 转 25 、 25 转 9 、25 转 25 等多种形式, 体积小巧, 外型美观, 利用这些串口隔离器可以有效防止称重显示控制器串口的损坏。

5 结束语

随着电子衡器的普及和应用行业的扩大, 以及安装环境的差异和低电压器件的应用, 串口通讯的有效保护引起越来越多的关注, 已经形成了不小的市场, 各种保护器件和串口保护器得到广泛应用, 为保证电子衡器的可靠使用, 应注意称重显示控制器串口的正确使用和有效保护。

 

 

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