1 概述

隨著國民經濟和科學技術的快速發展, 電子衡器已經進入各行各業, 得到了快速應用和發展, 不再是單純的稱重計量和貿易結算, 而是發展到了含有稱重的自動控製、 安全保護控製、 生產工藝的控製、產品質量的控製以及生產成本的控製等各個係統,應用範圍和行業不斷擴大; 隨著信息時代的到來, 需要衡器儀表與計算機之間的數據通訊越來越多, 由於串行通訊方式具有使用線路少、 成本低, 特別是在遠程傳輸時, 得到廣泛采用。 RS- 232 接口是串行數據接口標準之一, 由電子工業協會( EIA ) 製訂並發布。 目前 RS- 232 是 PC 機與通信工業中應用最廣泛的一種串行接口, 在稱重顯示控製器中也是最基本的串行接口, 隨著電子衡器應用的普及和應用環境的差異, 稱重顯示器的串口在實際應用中損壞的事情時常發生, 常常會莫明其妙地損壞, 給用戶和衡器生產廠家都造成了不小的經濟損失, 因此有必要進行分析和研究, 保護串口正常工作, 降低損壞程度,減少經濟損失。

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, 在稱重顯示控製器中也得到廣泛應用。 它是在 1970 年由美國電子工業協會( EIA ) 聯合貝爾係統、 調製解調器廠家及計算機終端生產廠家共同製定的用於串行通訊的標準。 它的全名是 “ 數據終端設備 ( DTE ) 和數據通訊設備 (DCE ) 之間串行二進製數據交換接口技術標準” 。該標準規定采用一個 25 個腳的 DB25 連接器, 對連接器的每個引腳的信號內容加以規定, 還對各種信號的電平加以規定。

2.1.1 接口的信號內容

實際上 RS- 232- C 的 25 條引線中有許多是很少使用的, 在計算機與終端通訊中一般隻使用 3- 9條引線, 因此也產生了很多種非標的 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邏輯關係。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 一些設備與 PC 機連接的 RS- 232- C接口, 因為不使用對方的傳送控製信號, 隻需三條接口線, 即 “ 發送數據” 、 “ 接收數據” 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 數據傳輸距離

誤碼率 <4% 時達到 15 米, 實際誤碼率允許 10%～ 20% , 15 米是比較保守的數據。

2.2 由於 RS- 232- C 接口標準出現較早, 難免有不足之處, 主要有以下四點:

2.2.1 接口的信號電平值較高, 易損壞接口電路的芯片, 又因為與 TTL 電平不兼容, 故需使用電平轉換電路方能與 TTL 電路連接。

2.2.2 傳輸速率較低, 在異步傳輸時, 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成共地的傳輸形式, 這種共地傳輸容易產生共模幹擾, 所以抗噪聲幹擾性弱。

2.2.4 傳輸距離有限, 最大傳輸距離標準值為15m , 實際上也隻能用在 50 米左右。

2.3 現在稱重顯示控製器中用到的 RS- 232- C接口芯片, 主要是某公司生產的 MAX202E 和MAX232E 係列轉換芯片, 由 TTL 電平轉換為 RS-232- C 電平或由 RS- 232- C 電平轉換為 TTL 電平。

某公司的 MAX202 芯片為標準的 RS-232 電平轉換器, 符合 RS- 232 通信標準, 功耗低, 集成度高, 隻用單一 5V 電源, 片內有電壓倍增器和電壓變換器 , 輸出 RS232 需要的 ± 10V 電平, 每片有兩個驅動器和兩個接收器, 具有兩組接收和發送通道,全部接口電路簡單, 可靠性高, 實現 TTL 電平和RS- 232 電平的直接轉換。

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

MAX202E 和 MAX232E 係列轉換芯片均集成了 ESD 保護 ( 通常符合 IEC 標準) 或過壓保護。 這種保護在上電或掉電情況下都有效, 即使是在 ± 15kVESD 衝擊下也不會引發鎖定效應。

ESD 具體指標如下:

3 串口損壞原因分析

由於串口設備間收發信號沒有隔離, 來自於通信線纜的直流電位差, 使信號線經常受到各種幹擾。串口通信在點對多點的應用中, 因為串口通信距離的限製 ( 傳輸距離短一般為 15 米) , 形成了一個易吸收幹擾信號的短距網狀天線。 浪湧、 雷擊還能通過串口通信線纜相鄰的電力線、 電話線等進入, 產生感應電動勢, 形成對串口的衝擊。 常見造成對串口設備影響的原因還有: 日光燈、 電梯馬達、 大型發動機等重型設備的開啟、 短路、 地電位差、 電源切換、 靜電釋放等。

由於 RS- 232 串口通信線對電壓浪湧特別敏感,僅幾十伏的小幅瞬變過程就可以通過串行端口造成數據丟失、 硬件損壞、 係統崩潰。 雖然 MAX202E和 MAX232E 係列轉換芯片可承受 ± 15kVESD 保護( 通常符合 IEC 標準) 或過壓保護, 但也不能保證串口在實際使用中不損壞。

通過理論分析和實際案例, 總結出以下造成串口損壞的原因:

· 開、 關機或串口帶電拔插。

·稱重儀表與計算機等接地不良, 造成地電位差過高。

·有較大的靜電放電現象。

·由於走線不合理, 在通訊線上感應產生較大的感應電動勢, 造成串口損壞。

· 由於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

使用中的防護:

4.1 注意開、 關機的順序, 應先開外設, 後開主機, 關機正好相反。

4.2 嚴禁串口帶電拔插。強烈建議不要帶電插拔串口, 插拔時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算機等接地良好,消除地電位差。應設法保證地電位差在 1V 以內,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載、 頻繁啟動的電力線太近, 以避免感應電壓對串口通訊的幹擾和損壞。

4.5 必要時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幹擾和損壞,應采取以下措施:

4.5.1 在稱重顯示控製器內增加保護器件, 降低串口損壞幾率。 現在有很多保護器件, 例抗雷擊浪湧保護器和防靜電保護器, 可以選擇合適的規格, 得到最佳的保護效果, 可以防止雷擊等浪湧電壓對串口的損壞。

4.5.2 采用串口隔離技術, 對通訊線路要隔離,對電源供電係統也要進行隔離, 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行隔離, 但應選用高速器件, 由於光電耦合器是限製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, 有的可以實現瞬間隔離電壓7000V , 持續隔離電壓 500V , 免電源,免上電, 可帶電插拔, 具有 9 轉 9 、 9 轉 25 、 25 轉 9 、25 轉 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製器串口的損壞。

5 結束語

隨著電子衡器的普及和應用行業的擴大, 以及安裝環境的差異和低電壓器件的應用, 串口通訊的有效保護引起越來越多的關注, 已經形成了不小的市場, 各種保護器件和串口保護器得到廣泛應用, 為保證電子衡器的可靠使用, 應注意稱重顯示控製器串口的正確使用和有效保護。

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