自动气象站RS232串口通讯故障测试方法分析

赵建凯

摘 要：介绍了自动气象站RS232通讯故障的类型以及故障排除流程，通过分析RS232串口通讯结构与原理，结合实际测试经验，推导总结出一种使用万用表电压档测试RS232端口电压，进行通讯硬件故障排除的方法。

关键词：RS232；自动气象站；串口通讯

中图分类号：S16 文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190530067

引言

目前内蒙古自治区布设的国家级自动气象站、区域自动气象站、无人自动气象站等用到RS232通讯的设备、传感器、采集器越来越多，针对RS232通讯故障的排除方法变的越来越重要，高效的测试方法和流程能够大大缩减故障排除时效，提高数据可用率，减轻工作人员工作负担[1]。

1 动气象站中的RS232通讯

自动气象站所采用的RS232串口通讯方式均为异步全双工方式，以DZZ5型自动气象站为例，涉及到RS232串口通讯方式的部件包括：DNQ1能见度传感器与HY1105能见度分采集器、HY1105能见度分采集器与DPZ1串口服务器、HY3000主采集器与DPZ1串口服务器、PTB210气压传感器与HY3000主采集器等。RS232的硬件连接采用交叉线的形式，连接图如下图1所示，A设备的发送端Tx与B设备的接收端Rx相连，B设备的发送端Tx与A设备的接收端Rx相连。

RS232通讯方式在正确做好硬件连接的前提下，需要保证两端设备的通讯参数一致，才能正常传输数据，通常包括波特率、数据位、停止位、奇偶校验位等参数。

2 RS232串口通讯常见故障

在业务运行过程中，RS232串口易发故障多种多样，发生的故障通常可分为软件故障与硬件故障，软件故障包括参数错误、命令格式错误等，硬件故障包括线序错误、线缆短路断路故障、接头端子连接故障等。从故障现象来分，可分为串口通讯中断故障和串口通讯乱码故障，前者可能由串口参数错误或硬件连接错误导致，后者一般由串口参数错误、Rx虚接、GND虚接等导致。

针对串口通讯的故障现象，通常采用的故障排除流程为，检查硬件连接的完整性；分别检查各设备通讯参数；再次详细进行硬件连接的检查，包括线序的检查、短路检查、断路检查以及其他硬件故障检查。

可见，硬件的检测至关重要，而其中的线序检测、短路检测、断路检测等，通常采用万用表的蜂鸣档完成，在检测过程中，首先需要将自动站系统电源断开，其次由于万用表表笔长度有限，所以需要在线缆一端进行接线的更改，实际操作过程对于台站技术保障人员来说过于繁杂，具有较高的技术要求，同时会无上限的延长数据中断时长。所以有必要找到一种更加快捷方便的硬件检测方法。

3 RS232测试方法研究

3.1 RS232电平

EIA-RS-232C标准对电气特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定，在Tx和Rx上，逻辑1（MARK）=-3V～-15V；逻辑0（SPACE）=+3～+15V。也就是当传输电平的绝对值大于3V时，电路可以有效地检查出来，介于-3～+3V之间的电压则无意义，低于-15V或高于+15V的电压也认为无意义，所以在实际工作时应保证电平在-3～-15V或+3～+15V之间[2]。

而采集器或者传感器内部通用电平为TTL或者CMOS电平，所以在不同设备间使用RS232协议进行通讯时存在图2中的关系，A设备的内部TTL电平首选转换为RS232电平，在设备外部通过RS232通讯方式与B设备连接，B设备内部将RS232电平转换为TTL电平，进行相应的信号处理。

EIA RS-232C采用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在EIA RS-232C 与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的转换，目前较为广泛地使用集成电路转换器件来完成TTL电平到EIA电平的转换，而国产自动气象站设备的转换芯片大部分采用SP3232实现，DNQ1能见度仪为进口设备，所以并非使用该芯片，所以电压幅值略有不同。

3.2 SP3232芯片

SP3232性能指标如下表1所示；SP3232驱动器端口结构如图3所示。其工作电压为3.3～5.5V，驱动器输出电压为±5.4V（5V供电电压时），接收器输入电压可以为-15～+15V。

从图3可以看出，SP3232芯片共有2组转换通道，以通道1为例，引脚11为TTL电平输入端，引脚12为TTL电平输出端，引脚14为RS232逻辑驱动器输出端（Tx端），引脚13为RS232逻辑接收器输入端（Rx）。

在异步串行通讯中，数据的格式为“起始位+数据位+停止位”，其中起始位1位，数据位可以是5、6、7、8位，停止位可以是1、1.5、2位。起始位对于正逻辑的TTL电平是一位低电平；停止位对于正逻辑的TTL电平是高电平。传输线路空闲或者数据传输结束时，对于正逻辑的TTL电平，线路总是高电平，而对于负逻辑的RS232电平，则电压为-3～-15V之间[3]。

3.3 RS232端口测试方法分析

对于SP3232，当数据线路空闲且断开时，图3中的RS-232 OUTPUTS端口（驱动器输出端）为-5.4V，而RS-232 INPUTS端由于是接收端，具有较高的输入阻抗，同时连接了5KΩ的负载电阻，所以此端口电压为0。故当2个设备正确连接，且数据线路空闲时，2台设备的Rx端电压与Tx端电压均为-5.4V，Rx与Tx间电压则为0。

对于图1的硬件连接，线路空闲时，A设备的VTx=-5.4V，VRx=-5.4V，说明A设备Rx与B设备Tx连接线路正确。同理，测量B设备VTx与VRx可判断另外一条线路的连接状况。在分别测试2设备RS232端口电压后即可判断出RS232传输线路的硬件故障，必要时可以拔下端子进行端口的测量。

此外，实际测试发现DNQ1能见度的Tx端电压在数据线路空闲时为-8.3V，其原因是电平转换芯片不同，但该值位于-3～-15V之间，电平逻辑无误。对于PTB210气压传感器，由于其直接通过短线连接于主采集器，且1min內进行多次数据收发，使用万用表电压档并不能准确的测量到线路空闲状态，但可以通过线缆颜色以及接头状态进行硬件连接判断。

由于Tx端为驱动端，所有使用万用表的电流档测量Tx端会有明显的电流，而Rx端即使电压不为0，也没有电流输出。

4 结论

通过实际测试以及工作原理推导，说明通过使用万用表的电压档测试RS232端口电压来进行RS232通讯硬件检测的方法，作为故障排除的手段，能够大大缩减RS232通讯故障的故障排除时间，提高故障排除时效性，提高数据可用性，降低故障排除难度，对于自动气象站RS232通讯系统，该方法是一种可靠高效的测试测量方法。

参考文献

[1] 刘珂，牟颖莹，陈海宁，等. 采集终端串口通讯故障原因分析及对策[J]. 青海电力，2016， 35（4）：63-65.

[2] 龚义建. 串行通讯接口RS-232/RS485的应用与转换[J]. 计算机与数字工程，2003， 31（5）：58-61.

[3] 吴皓月，李旭东，赵亮，等. 浅谈RS232和RS485串行通讯[J] .中国新通信，2016， 18（20）：3-4.