RS-232串口电气特性演示功能的设计与实现

葛春 火箭军士官学校

RS-232串口电气特性演示功能的设计与实现

葛春 火箭军士官学校

本文首先针对RS-232串口通信常用数据格式，分析了其电气特性演示功能的设计方法，然后分别采用数字示波器和基于A/D采集模块的虚拟仪器两种方案实现了RS-232串口电气特性的演示功能。

RS-232串口 电气特性 电压信号波形

引言

RS-232串口是自动化、测试控制等多个专业的重点教学内容。授课时学生可以通过观看9针D型插头座、25针D型插头座、37针D型插头座、圆形插头座、接线端子等形式的RS-232串口，了解其机械外部特性；学生也可以通过串口调试程序，设置RS-232串口通信的数据位、停止位、波特率等参数，体验其通信协议特性；但由于RS-232串口的电气特性主要表现在收发信号相对于信号地的电平，相比其机械外部特性和通信协议特性，学生不能直接观察，所以设计并实现RS-232串口电气特性的演示功能，以信号波形的形式形象直观的展示其电气特性，具有很强的教学应用价值。

一、RS-232串口电气特性演示的功能设计

RS-232串口标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、通信电缆和协议，因此它的通信协议可以用户自己定义，但基于计算机的RS-232串口通信，一般采用如下的常用数据格式[1]：首先是以逻辑0开始的起始位，然后是5～8位的数据位，接着是起校验作用的校验位，最后是逻辑1结束的停止位，其中起始位前面和停止位后侧的红色部分为空闲状态。

以计算机字符“？”为例，在计算机中字符“？”的ASCII编码为00111111，总共8位，前面的0是高位，后面的1是低位，在串口数字通信中，现传输低位，后传输高位。对比上文介绍的RS-232串口通信的常用数据格式，如果不应用校验位，则最终字符“？”的串口传输数据格式为0,11111100,1。

如果对RS-232串口通信信号线相对于地线之间的电压完成采集，当在传输线上传输字符“？”时，可采集到相应的电压信号波形。

由于RS-232串口标准对其通信电气特性做出了如下规定：接收或发送线与地线之间的电压为+3V～+15V，表示逻辑“0”；接收或发送线与地线之间的电压为-15V～-3V，表示逻辑“1”[2]。因此对照字符“？”的串口传输数据格式和采集的电压信号波形，就可以非常形象的向学生展示RS-232串口通信的电气特性。

二、RS-232串口电气特性演示的功能实现

对于上文分析的RS-232串口电气特性演示系统的功能设计，要实现其功能，最核心的就是如何采集RS-232串口通信时信号线与地线之间的电压波形和电压值大小，然后实时在液晶显示器或者软件界面中以电压波形的形式直观的显示出来。

第一种方案是将RS-232串口通信的信号线和地线连接到高精度数字示波器，利用示波器采集信号波形。由于一次RS-232串口信号发送时间较短，稍纵即逝，发送端计算机可采用间隔100ms重复发送字符的方式，同时要调整好示波器的采样频率，并通过相位、频率、幅值等设置，调试出平稳和幅值清晰的电压波形，从而直观演示串口通信的电气特性。但利用示波器是一种纯硬件的采集过程，而且采集时还需要计算机终端间隔100ms重复发送，也没有波形存储与回放的功能，为与前沿技术虚拟仪器相结合，实现基于多种测试技术的单次信号捕捉，本文还选用第二种方案：采用EM9636中泰A/D采集卡和LabVIEW虚拟仪器软件平台，实现信号捕捉功能。

系统由串口终端计算机、RS-232串口端子、中泰EM9636采集卡、虚拟仪器应用机、信号线以及网线组成，串口终端计算机通过自带RS-232串口向外发送数据。演示过程中，RS-232串口端子的母口连接到串口终端计算机的公口，将红色信号线连接到串口端子的3引脚“TXD发送数据”，黑色信号线连接到串口端子的5引脚“信号地”，两根信号线的另一端分别连接到中泰EM9636采集卡的第一路双端模拟量采集端口CH1+与CH-，EM9636采集卡采集到RS-232串口数据通信的电压值大小后，通过网线传输给虚拟仪器应用机，虚拟仪器应用机再通过LabVIEW虚拟仪器软件平台实时显示捕捉的信号，从而实现对RS-232串口电气特性的直观演示。

中泰EM9636采集卡是一款基于以太网的32单端、16双端的A/D模拟量采集卡，电压采集范围可达-15V～15V，适用于RS-232串口的电平范围；采样速率可达100KHz,大于RS-232串口的通信速率（一般小于10KHz），适合对RS-232串口电气特性波形的信号捕捉；LabVIEW是美国国家仪器公司NI推出的一种基于直观前面板和流程图式的虚拟仪器编程软件，是构建虚拟仪器的理想工具[3]，而中泰EM9636采集卡，正好适用于专业数据采集分析系统LabVIEW软件环境，其产品驱动附带LabVIEW组件，安装后即可实现信号波形实时显示和存储回放的功能，非常适合对捕捉信号的实时、回放分析。如传输字符“？”时捕捉的信号，不但可以演示RS-232串口的负逻辑电气特性，还通过+9V左右电压和-9V左右电压的大小测量，演示RS-232串口通信电压范围为+3V～+15V或-15V～-3V的电气特性。

[1]刘长征.Visual C++串口通信及测控应用实例详解[M].北京：电子工业出版社，2014.

[2]陈秀国.电力自动化系统RS-232信号的传输和测试[J].电力系统通信，2010（10）：48-51.

[3]胡仁喜，高海宾. LabVIEW 2010从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2011.

葛春（1984.2-），男，火箭军士官学校。