一种车载设备串口通信故障分析处理

　　本文描述了一例工程中车载设备间EIA-422-A标准的串口通信故障，结合车载设备电磁兼容特性，串口通信常用的屏蔽双绞线、非屏蔽双绞线的电磁性能分析，分析问题产生的原因，并针对通信标准的要求，对故障设备进行技术处理。

　　1.引言

　　在工程实际中，电磁兼容是比较常见且难于处理的，虽然设计过程中充分考虑了电磁兼容的要求，但由于工作流程、进度、施工实际情况等可控环节的差异，往往不能完全达到系统必须的使用要求，出现故障后分析、处理往往需要耗费更多的时间和精力。本文即是通过对现场实际应用的电磁兼容问题的分析处理。

　　2. 问题概述

　　出现故障的设备安装在通信车的车载设备之间，子系统由上、下位机、扩展设备、连接电缆组成。上位机为人机界面，XP系统，选用USB串口转换设备扩展接口，采用无屏蔽DB9接口;下位机为执行单元，DOS系统，硬件采用Max488芯片;通信方式采用标准的EIA-422-A接口，上、下位机间通过5m长的通信电缆连接。

　　系统使用十个月后出现故障。集中表现为上、下位机初始握手连续失败，系统无法正确传输命令控制字。

　　3.故障排查

　　将设备端电缆拆下，在通电、无数据流传输的情况下，测试连接T-，T+两点，T-与GND两点，发现非正常300mv左右的交流电压值，T+与GND间无异常电压。

　　去除串口转换设备上包括电源、USB、其他串口设备后，异常依然存在，从而排除串口转换设备内部电磁干扰问题。

　　通过反复排查诊断，该干扰信号与设备供电系统中的24V直流和一路220V交流有直接关系(此两种电源同时启动)，同时具有偶发性，具有典型的电磁兼容问题特性。

　　4. 理论分析

　　通过试验分析，启动下位机监控程序，可以稳定的监控到下位机接收到的字符信息，在上位机无数据发送工作状态下，设备接收端接收到干扰信号 -1(整型)，或者ffff(十六进制)，与300mv的异常交流电压对应，发现产生问题的原因涉及EIA-422-A接口、车内电磁环境及选用屏蔽电缆几个方面的原因。

　　4.1 EIA-422-A标准

　　EIA-422-A(RS422)接口传输速率可达10Mb/s，传输距离延长到1219m，并允许在一条平衡总线上连接最多十个接收器，是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，如图所示为四线数据接口和一根信号地线，四线接口采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式(XON/XOFF 握手)或硬件方式(一对单独的双绞线)实现。接口的几点特性：

　　a) 差分的工作方式

　　b) 驱动电压：-0.25V～+6V

　　c) 驱动器输出信号电平最小值、最大值：+/-2.0V、+/-6V

　　d) 驱动器负载阻抗(Ω)：100

　　e) 接收器输入电压范围：-10V～+10V

　　f) 接收器输入门限：+/-200mV

　　由于接收器输入门限为200mv，因此在设备接口端产生300mv电压干扰的同时，在接收端可以接收到-1的数值，同实际的测量结果吻合。从而判断影响正常通信的主要原因是上、下位机间的通信信息被插入干扰字符，产生异常错误。

　　4.2车内电磁环境

　　电磁干扰的传输途径主要有三种方式：导线传导、空间辐射和感应耦合。

　　传导干扰就是电磁骚扰通过导线传输， 即通过设备的信号线、控制线、电源线等直接侵入敏感设备。由于车辆和外界没有直接的电路联系，因此传导干扰都是由车内电气元件引起的。传导干扰是由电动机、继电器以及其他感性设备的触点开关引起的瞬态脉冲。传导干扰通过导线进入电源或者电子系统，它可能在额定电压为12V 或者24V 的电气设备上引起高达200V 的电压。

　　空间辐射通常发生在频率较高的电子设备中，在车载系统中相对出现较少。

　　第三种为感应耦合。车内电磁设计符合相关行业标准，走线通道为封闭金属腔体，因此耦合可能性很大。通过容性耦合或感性耦合进入控制线或者信号线，在检查线路过程中发现，系统控制、通信电缆走线位置和车内强电设备并行走线。交变的电流很可能导致金属腔体的磁化现象，从而在某一腔体内导线上产生感应电流。这也同设备正常使用10个月后出现该故障联系起来。

　　4.3 可能干扰源

　　排查连接电缆：按要求该电缆应采用屏蔽双绞线缆，而实际采用的是普通双绞线方式，至此初步发现了可能干扰源。系统选用普通双绞线和屏蔽双绞线的差别足以影响系统电磁兼容性能。

　　4.4 双绞线、屏蔽双绞线

　　双绞线是综合布线工程中最常用的一种传输介质。双绞线由两根具有绝缘保护层的铜导线组成。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，可降低信号干扰的程度，每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。

　　屏蔽双绞线的外层由铝泊包裹，可以看成是双绞线外覆金属屏蔽网，相比普通双绞线可大大降低幅射。

　　4.5接地

　　电子系统接地很重要，接地不当会导致电子系统不能稳定工作甚至危及系统安全。RS-422传输网络的接地同样很重要，尤其在工作环境比较恶劣和传输距离较远的情况下，对接地的要求更为严格，否则接口损坏率较高。常见的接地方法如下：

　　a) 接地电阻

　　干扰源内阻不是非常小，可以在接地线上加限流电阻以限制干扰电流。接地电阻的增加可能会使共模电压升高，但只要控制在适当的范围内就不会影响正常通信。

　　b) 浮地技术

　　隔断接地环路。这是较常用也是十分有效的一种方法，当共模干扰内阻很小时接地电阻的方法已不能奏效，此时可以考虑将引入干扰的节点浮置起来，这样就隔断了接地环路，不会形成很大的环路电流。

　　c) 隔离接口

　　有些情况出于安全或其它方面考虑，电路地必须与机壳或大地相连，不能悬浮，这时可以采用隔离接口来隔断接地回路，但是仍然应该有一条地线将隔离侧的公共端与其它接口的工作地相连。

　　5. 故障处理

　　通过排查定位为系统选用的通信电缆问题，检查线缆，发现设计要求采用的屏蔽双绞电缆被用为非屏蔽双绞电缆，即线缆通过汽车侧面导线槽，T-，T+采用双绞线，R+，R-，GND采用屏蔽三绞线。设计过程中，采用RS422标准常用的悬浮地接法，同类产品未出现电磁兼容问题。

　　按照4.4、4.5的技术分析不难判定采用非屏蔽双绞线所带入系统的干扰因素。对于已经改装好的车辆更换传输电缆的不便，对现场问题采用综合治理的方法：

　　a)在接地线上加100欧姆限流电阻以限制干扰电流，将T-，T+间产生的300mv的电压消耗掉。即在下位机端1、2点处接入电阻，电阻的增加会使共模电压升高，但只要控制在适当的范围内就不会影响正常通信。另外虽然匹配电阻要消耗一部分功率，但考虑该系统线缆长度仅为5m左右，对于功耗限制比较宽松，不影响系统正常使用。

　　b)可靠接地。考虑设备安装在机柜中，串口通信的地线与上位机5V电压的地线导通，USB转换设备的地线与上位机地线导通，形成串口转换设备与上位机可靠接地即电路地与机柜地可靠相连，保证系统工作在稳定的工作状态。

　　6. 结论

　　电磁兼容问题可能为设计原因，也可能为电磁环境的变化，设计初期未能顾及，投入使用后根据实际的工程经验对特殊的应用场合采取特殊策略。

　　作者：王宝安 张树桐 来源：科学与技术 2014年7期