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1 概述

隨著國民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展, 電子衡器已經(jīng)進(jìn)入各行各業(yè), 得到了快速應(yīng)用和發(fā)展, 不再是單純的稱重計(jì)量和貿(mào)易結(jié)算, 而是發(fā)展到了含有稱重的自動(dòng)控制、 安全保護(hù)控制、 生產(chǎn)工藝的控制、產(chǎn)品質(zhì)量的控制以及生產(chǎn)成本的控制等各個(gè)系統(tǒng),應(yīng)用范圍和行業(yè)不斷擴(kuò)大; 隨著信息時(shí)代的到來, 需要衡器儀表與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊越來越多, 由于串行通訊方式具有使用線路少、 成本低, 特別是在遠(yuǎn)程傳輸時(shí), 得到廣泛采用。 RS- 232 接口是串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)之一, 由電子工業(yè)協(xié)會( EIA ) 制訂并發(fā)布。 目前 RS- 232 是 PC 機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口, 在稱重顯示控制器中也是最基本的串行接口, 隨著電子衡器應(yīng)用的普及和應(yīng)用環(huán)境的差異, 稱重顯示器的串口在實(shí)際應(yīng)用中損壞的事情時(shí)常發(fā)生, 常常會莫明其妙地?fù)p壞, 給用戶和衡器生產(chǎn)廠家都造成了不小的經(jīng)濟(jì)損失, 因此有必要進(jìn)行分析和研究, 保護(hù)串口正常工作, 降低損壞程度,減少經(jīng)濟(jì)損失。

2 串口的基本知識

2.1 RS- 232- C 接口( 又稱 EIA RS- 232- C ) 是目前最常用的一種串行通訊接口, 在稱重顯示控制器中也得到廣泛應(yīng)用。 它是在 1970 年由美國電子工業(yè)協(xié)會( EIA ) 聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、 調(diào)制解調(diào)器廠家及計(jì)算機(jī)終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通訊的標(biāo)準(zhǔn)。 它的全名是 “ 數(shù)據(jù)終端設(shè)備 ( DTE ) 和數(shù)據(jù)通訊設(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)定采用一個(gè) 25 個(gè)腳的 DB25 連接器, 對連接器的每個(gè)引腳的信號內(nèi)容加以規(guī)定, 還對各種信號的電平加以規(guī)定。

2.1.1 接口的信號內(nèi)容

實(shí)際上 RS- 232- C 的 25 條引線中有許多是很少使用的, 在計(jì)算機(jī)與終端通訊中一般只使用 3- 9條引線, 因此也產(chǎn)生了很多種非標(biāo)的 RS- 232- C 接口, 有采用9 腳的 DB9 連接器的, 也有采用其他方式的連接, 具體要參考設(shè)備的使用說明書。

2.1.2 接口的電氣特性

在 RS-232-C 中任何一條信號線的電壓均為負(fù)邏輯關(guān)系。即: 邏輯 “ 1 ” , - 5～ - 15V ; 邏輯 “ 0 ” +5～ +15V 。噪聲容限為 2V 。 即要求接收器能識別低至 +3V 的信號作為邏輯 “ 0 ” , 高到 - 3V 的信號作為邏輯 “ 1 ” 。

2.1.3 一些設(shè)備與 PC 機(jī)連接的 RS- 232- C接口, 因?yàn)椴皇褂脤Ψ降膫魉涂刂菩盘? 只需三條接口線, 即 “ 發(fā)送數(shù)據(jù)” 、 “ 接收數(shù)據(jù)” 和 “ 信號地” ,所以采用 DB- 9 的 9 芯插頭座, 傳輸線采用屏蔽雙絞線。

2.1.4 數(shù)據(jù)傳輸距離

誤碼率 <4% 時(shí)達(dá)到 15 米, 實(shí)際誤碼率允許 10%～ 20% , 15 米是比較保守的數(shù)據(jù)。

2.2 由于 RS- 232- C 接口標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)較早, 難免有不足之處, 主要有以下四點(diǎn):

2.2.1 接口的信號電平值較高, 易損壞接口電路的芯片, 又因?yàn)榕c TTL 電平不兼容, 故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與 TTL 電路連接。

2.2.2 傳輸速率較低, 在異步傳輸時(shí), 波特率為20kbps 。

2.2.3 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, 這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾, 所以抗噪聲干擾性弱。

2.2.4 傳輸距離有限, 最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為15m , 實(shí)際上也只能用在 50 米左右。

2.3 現(xiàn)在稱重顯示控制器中用到的 RS- 232- C接口芯片, 主要是某公司生產(chǎn)的 MAX202E 和MAX232E 系列轉(zhuǎn)換芯片, 由 TTL 電平轉(zhuǎn)換為 RS-232- C 電平或由 RS- 232- C 電平轉(zhuǎn)換為 TTL 電平。

某公司的 MAX202 芯片為標(biāo)準(zhǔn)的 RS-232 電平轉(zhuǎn)換器, 符合 RS- 232 通信標(biāo)準(zhǔn), 功耗低, 集成度高, 只用單一 5V 電源, 片內(nèi)有電壓倍增器和電壓變換器 , 輸出 RS232 需要的 ± 10V 電平, 每片有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器和兩個(gè)接收器, 具有兩組接收和發(fā)送通道,全部接口電路簡單, 可靠性高, 實(shí)現(xiàn) TTL 電平和RS- 232 電平的直接轉(zhuǎn)換。

該芯片的上半部分是電源變換部分。下半部分為發(fā)送和接收部分。實(shí)際應(yīng)用中, T1IN 、 T2IN 和R1OUT 、 R2OUT 可分別連接 TTL/CMOS 電平的 51單片機(jī)的串行發(fā)送端 TxD 和接收端 RxD ; R1IN 、R2IN 和 T1OUT 、 T2OUT 分別連接至 RS- 232 電平的PC 機(jī)串行接收端和發(fā)送端。

MAX202E 和 MAX232E 系列轉(zhuǎn)換芯片均集成了 ESD 保護(hù) ( 通常符合 IEC 標(biāo)準(zhǔn)) 或過壓保護(hù)。 這種保護(hù)在上電或掉電情況下都有效, 即使是在 ± 15kVESD 沖擊下也不會引發(fā)鎖定效應(yīng)。

ESD 具體指標(biāo)如下:

3 串口損壞原因分析

由于串口設(shè)備間收發(fā)信號沒有隔離, 來自于通信線纜的直流電位差, 使信號線經(jīng)常受到各種干擾。串口通信在點(diǎn)對多點(diǎn)的應(yīng)用中, 因?yàn)榇谕ㄐ啪嚯x的限制 ( 傳輸距離短一般為 15 米) , 形成了一個(gè)易吸收干擾信號的短距網(wǎng)狀天線。 浪涌、 雷擊還能通過串口通信線纜相鄰的電力線、 電話線等進(jìn)入, 產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢, 形成對串口的沖擊。 常見造成對串口設(shè)備影響的原因還有: 日光燈、 電梯馬達(dá)、 大型發(fā)動(dòng)機(jī)等重型設(shè)備的開啟、 短路、 地電位差、 電源切換、 靜電釋放等。

由于 RS- 232 串口通信線對電壓浪涌特別敏感,僅幾十伏的小幅瞬變過程就可以通過串行端口造成數(shù)據(jù)丟失、 硬件損壞、 系統(tǒng)崩潰。 雖然 MAX202E和 MAX232E 系列轉(zhuǎn)換芯片可承受 ± 15kVESD 保護(hù)( 通常符合 IEC 標(biāo)準(zhǔn)) 或過壓保護(hù), 但也不能保證串口在實(shí)際使用中不損壞。

通過理論分析和實(shí)際案例, 總結(jié)出以下造成串口損壞的原因:

· 開、 關(guān)機(jī)或串口帶電拔插。

·稱重儀表與計(jì)算機(jī)等接地不良, 造成地電位差過高。

·有較大的靜電放電現(xiàn)象。

·由于走線不合理, 在通訊線上感應(yīng)產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動(dòng)勢, 造成串口損壞。

· 由于雷擊等外界因素影響, 造成串口損壞。

·一端已損壞的串口造成另一端串口的損壞。

4 串口防護(hù)

使用中的防護(hù):

4.1 注意開、 關(guān)機(jī)的順序, 應(yīng)先開外設(shè), 后開主機(jī), 關(guān)機(jī)正好相反。

4.2 嚴(yán)禁串口帶電拔插。強(qiáng)烈建議不要帶電插拔串口, 插拔時(shí)至少有一端是斷電的, 否則串口易損壞。

4.3 保證將稱重儀表與計(jì)算機(jī)等接地良好,消除地電位差。應(yīng)設(shè)法保證地電位差在 1V 以內(nèi),最好為 0V 。

4.4 注意通訊線的走向, 避免通訊線與電力線特別是帶感性負(fù)載、 頻繁啟動(dòng)的電力線太近, 以避免感應(yīng)電壓對串口通訊的干擾和損壞。

4.5 必要時(shí)采用帶屏蔽的雙絞線, 以減小外界對串口的影響。

若采用以上方法還不能有效避免干擾和損壞,應(yīng)采取以下措施:

 

4.5.1 在稱重顯示控制器內(nèi)增加保護(hù)器件, 降低串口損壞幾率。 現(xiàn)在有很多保護(hù)器件, 例抗雷擊浪涌保護(hù)器和防靜電保護(hù)器, 可以選擇合適的規(guī)格, 得到最佳的保護(hù)效果, 可以防止雷擊等浪涌電壓對串口的損壞。

4.5.2 采用串口隔離技術(shù), 對通訊線路要隔離,對電源供電系統(tǒng)也要進(jìn)行隔離, 供電隔離可以采用例 MAX253 等專用供電隔離器件, 通訊線路可以采用光電隔離進(jìn)行隔離, 但應(yīng)選用高速器件, 由于光電耦合器是限制接口通訊速率的主要因素。

4.5.3 可以外接專用的串口隔離器, 現(xiàn)在市場上有很多各種各樣的串口隔離器可以選擇, 這些串口隔離器大多采用光電隔離技術(shù), 有的可以實(shí)現(xiàn)瞬間隔離電壓7000V , 持續(xù)隔離電壓 500V , 免電源,免上電, 可帶電插拔, 具有 9 轉(zhuǎn) 9 、 9 轉(zhuǎn) 25 、 25 轉(zhuǎn) 9 、25 轉(zhuǎn) 25 等多種形式, 體積小巧, 外型美觀, 利用這些串口隔離器可以有效防止稱重顯示控制器串口的損壞。

5 結(jié)束語

隨著電子衡器的普及和應(yīng)用行業(yè)的擴(kuò)大, 以及安裝環(huán)境的差異和低電壓器件的應(yīng)用, 串口通訊的有效保護(hù)引起越來越多的關(guān)注, 已經(jīng)形成了不小的市場, 各種保護(hù)器件和串口保護(hù)器得到廣泛應(yīng)用, 為保證電子衡器的可靠使用, 應(yīng)注意稱重顯示控制器串口的正確使用和有效保護(hù)。

 

 

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