自動氣象站RS232串口通訊故障測試方法分析

趙建凱

摘 要：介紹了自動氣象站RS232通訊故障的類型以及故障排除流程，通過分析RS232串口通訊結構與原理，結合實際測試經驗，推導總結出一種使用萬用表電壓檔測試RS232端口電壓，進行通訊硬件故障排除的方法。

關鍵詞：RS232；自動氣象站；串口通訊

中圖分類號：S16 文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190530067

引言

目前內蒙古自治區布設的國家級自動氣象站、區域自動氣象站、無人自動氣象站等用到RS232通訊的設備、傳感器、采集器越來越多，針對RS232通訊故障的排除方法變的越來越重要，高效的測試方法和流程能夠大大縮減故障排除時效，提高數據可用率，減輕工作人員工作負擔[1]。

1 動氣象站中的RS232通訊

自動氣象站所采用的RS232串口通訊方式均為異步全雙工方式，以DZZ5型自動氣象站為例，涉及到RS232串口通訊方式的部件包括：DNQ1能見度傳感器與HY1105能見度分采集器、HY1105能見度分采集器與DPZ1串口服務器、HY3000主采集器與DPZ1串口服務器、PTB210氣壓傳感器與HY3000主采集器等。RS232的硬件連接采用交叉線的形式，連接圖如下圖1所示，A設備的發送端Tx與B設備的接收端Rx相連，B設備的發送端Tx與A設備的接收端Rx相連。

RS232通訊方式在正確做好硬件連接的前提下，需要保證兩端設備的通訊參數一致，才能正常傳輸數據，通常包括波特率、數據位、停止位、奇偶校驗位等參數。

2 RS232串口通訊常見故障

在業務運行過程中，RS232串口易發故障多種多樣，發生的故障通常可分為軟件故障與硬件故障，軟件故障包括參數錯誤、命令格式錯誤等，硬件故障包括線序錯誤、線纜短路斷路故障、接頭端子連接故障等。從故障現象來分，可分為串口通訊中斷故障和串口通訊亂碼故障，前者可能由串口參數錯誤或硬件連接錯誤導致，后者一般由串口參數錯誤、Rx虛接、GND虛接等導致。

針對串口通訊的故障現象，通常采用的故障排除流程為，檢查硬件連接的完整性；分別檢查各設備通訊參數；再次詳細進行硬件連接的檢查，包括線序的檢查、短路檢查、斷路檢查以及其他硬件故障檢查。

可見，硬件的檢測至關重要，而其中的線序檢測、短路檢測、斷路檢測等，通常采用萬用表的蜂鳴檔完成，在檢測過程中，首先需要將自動站系統電源斷開，其次由于萬用表表筆長度有限，所以需要在線纜一端進行接線的更改，實際操作過程對于臺站技術保障人員來說過于繁雜，具有較高的技術要求，同時會無上限的延長數據中斷時長。所以有必要找到一種更加快捷方便的硬件檢測方法。

3 RS232測試方法研究

3.1 RS232電平

EIA-RS-232C標準對電氣特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了規定，在Tx和Rx上，邏輯1（MARK）=-3V～-15V；邏輯0（SPACE）=+3～+15V。也就是當傳輸電平的絕對值大于3V時，電路可以有效地檢查出來，介于-3～+3V之間的電壓則無意義，低于-15V或高于+15V的電壓也認為無意義，所以在實際工作時應保證電平在-3～-15V或+3～+15V之間[2]。

而采集器或者傳感器內部通用電平為TTL或者CMOS電平，所以在不同設備間使用RS232協議進行通訊時存在圖2中的關系，A設備的內部TTL電平首選轉換為RS232電平，在設備外部通過RS232通訊方式與B設備連接，B設備內部將RS232電平轉換為TTL電平，進行相應的信號處理。

EIA RS-232C采用正負電壓來表示邏輯狀態，與TTL以高低電平表示邏輯狀態的規定不同。因此，為了能夠同計算機接口或終端的TTL器件連接，必須在EIA RS-232C 與TTL電路之間進行電平和邏輯關系的轉換，目前較為廣泛地使用集成電路轉換器件來完成TTL電平到EIA電平的轉換，而國產自動氣象站設備的轉換芯片大部分采用SP3232實現，DNQ1能見度儀為進口設備，所以并非使用該芯片，所以電壓幅值略有不同。

3.2 SP3232芯片

SP3232性能指標如下表1所示；SP3232驅動器端口結構如圖3所示。其工作電壓為3.3～5.5V，驅動器輸出電壓為±5.4V（5V供電電壓時），接收器輸入電壓可以為-15～+15V。

從圖3可以看出，SP3232芯片共有2組轉換通道，以通道1為例，引腳11為TTL電平輸入端，引腳12為TTL電平輸出端，引腳14為RS232邏輯驅動器輸出端（Tx端），引腳13為RS232邏輯接收器輸入端（Rx）。

在異步串行通訊中，數據的格式為“起始位+數據位+停止位”，其中起始位1位，數據位可以是5、6、7、8位，停止位可以是1、1.5、2位。起始位對于正邏輯的TTL電平是一位低電平；停止位對于正邏輯的TTL電平是高電平。傳輸線路空閑或者數據傳輸結束時，對于正邏輯的TTL電平，線路總是高電平，而對于負邏輯的RS232電平，則電壓為-3～-15V之間[3]。

3.3 RS232端口測試方法分析

對于SP3232，當數據線路空閑且斷開時，圖3中的RS-232 OUTPUTS端口（驅動器輸出端）為-5.4V，而RS-232 INPUTS端由于是接收端，具有較高的輸入阻抗，同時連接了5KΩ的負載電阻，所以此端口電壓為0。故當2個設備正確連接，且數據線路空閑時，2臺設備的Rx端電壓與Tx端電壓均為-5.4V，Rx與Tx間電壓則為0。

對于圖1的硬件連接，線路空閑時，A設備的VTx=-5.4V，VRx=-5.4V，說明A設備Rx與B設備Tx連接線路正確。同理，測量B設備VTx與VRx可判斷另外一條線路的連接狀況。在分別測試2設備RS232端口電壓后即可判斷出RS232傳輸線路的硬件故障，必要時可以拔下端子進行端口的測量。

此外，實際測試發現DNQ1能見度的Tx端電壓在數據線路空閑時為-8.3V，其原因是電平轉換芯片不同，但該值位于-3～-15V之間，電平邏輯無誤。對于PTB210氣壓傳感器，由于其直接通過短線連接于主采集器，且1min內進行多次數據收發，使用萬用表電壓檔并不能準確的測量到線路空閑狀態，但可以通過線纜顏色以及接頭狀態進行硬件連接判斷。

由于Tx端為驅動端，所有使用萬用表的電流檔測量Tx端會有明顯的電流，而Rx端即使電壓不為0，也沒有電流輸出。

4 結論

通過實際測試以及工作原理推導，說明通過使用萬用表的電壓檔測試RS232端口電壓來進行RS232通訊硬件檢測的方法，作為故障排除的手段，能夠大大縮減RS232通訊故障的故障排除時間，提高故障排除時效性，提高數據可用性，降低故障排除難度，對于自動氣象站RS232通訊系統，該方法是一種可靠高效的測試測量方法。

參考文獻

[1] 劉珂，牟穎瑩，陳海寧，等. 采集終端串口通訊故障原因分析及對策[J]. 青海電力，2016， 35（4）：63-65.

[2] 龔義建. 串行通訊接口RS-232/RS485的應用與轉換[J]. 計算機與數字工程，2003， 31（5）：58-61.

[3] 吳皓月，李旭東，趙亮，等. 淺談RS232和RS485串行通訊[J] .中國新通信，2016， 18（20）：3-4.