RS-232收发器的发展过程回顾
摘要：将rs-232收发器集成到rs-232设计已经经历了20多年的历史。本应用笔记回顾了rs-232收发器的发展过程，对每一进程的技术优势以及带给用户的益处进行了详细说明。以业内领先的maxim器件为示例介绍rs-232收发器的演变。
引言
在过去的25年，为了满足rs-232的发展对rs-232收发器进行了多次修改。这些创新设计包括：集成电荷泵、高esd保护、自动关断(autoshutdown™)、3.3v单电源供电、宽带、电平转换等，封装尺寸也在不断缩小。这些改进增强了器件功能，有助于简化rs-232接口设计，减少器件数量，节省电路板面积。作为rs-232收发器产品的领导者，maxim integrated products推出了超过158种具有增值功能的rs-232器件，以满足广泛的应用需求。
本应用笔记回顾了rs-232收发器的关键功能，从其发展过程看，rs-232收发器的演变也反映了串口通信的发展需求。
背景
eia/tia-232-e标准于1962年发布，此后进行了4次修改，以满足不断变化的串口通信要求。eia/tia-232-e标准的官方名称是“数据终端设备(dte)与数据电路端设备(cte)之间串行交换二进制数据的接口”，可以简单地定义为：主机系统(dte)与外设系统(cte)之间的串行数据通信(图1)。
图1. dte至dce系统框图，电路采用max214收发器，显示两台pc的dte与dce之间的连接。
应用历史
历史上，rs-232串行通信常常用于连接计算机和外围设备，比如：调制解调器、打印机、键盘、游戏手柄、鼠标等。近几年，大部分这类应用已经转为通用串行总线(usb)等其它通信协议。
现在，rs-232串行通信主要用于gps、pos、血糖仪、条形码扫描仪、汽车数据通信设备、机顶盒、游戏机等需要低成本、低速率(低于1mbps)的通信系统。
rs-232 ic的演进过程
虽然rs-232收发器设计经历了重大演进，但在当前应用中，工程师仍然使用rs-232协议。从图2可以看出rs-232的创新进程，我们将在后续章节逐一讨论。
图2. rs-232收发器的发展进程
集成电荷泵
最初的rs-232 ic需要采用双电源(+15v和-15v)供电，以支持rs-232发送器的正、负输出摆幅(请参考图3 ，通道1)。而大多数系统只提供一个电源，这就需要外部电荷泵对单电源进行倍压，然后再进行反相。二十世纪八十年代，maxim率先将电荷泵集成到rs-232收发器内，创造出首款单电源供电的rs-232 ic max232。这是最早推出的能够对电源电压进行倍压、反相转换，支持rs-232发送器电路的rs-232收发器。
图3. rs-232信号，通道1为发送器输出的总线信号;通道2为接收器的逻辑输出信号。
在随后推出的产品中，例如max3232，eia-232电平被定义成为5kω负载提供±5v驱动。利用新的低压差输出技术，maxim推出了内置电荷泵、可提供稳定的±5.5v输出的rs-232收发器。这种设计允许收发器以最小的电源电流提供兼容于rs-232的输出电平。
集成电荷泵如何工作呢? 第一个电荷泵的工作类似于倍压器，如果忽略少量损耗，该电荷泵能够把5v电源电压转换成+10v;第二个电荷泵配置成反相器，将+10v电压转成-10v，当然实际应用会存在少量损耗。所产生的±10v电源用于rs-232发送器供电。
较高的esd保护
任何rs-232器件都会在所有引脚提供静电放电(esd)保护能力(典型值为±2kv)，避免器件处理、装配过程中受到esd冲击而损坏。由于手持设备和便携设备采用rs-232串行通信，这类应用需要更高的esd保护能力，以承受人体模式的静电冲击(hbm，工业标准要求高于±2kv的esd保护)。maxim提供的具有esd保护的rs-232收发器均在rs-232发送器输出和接收器输入引脚集成了±15kv人体模式的esd保护。有些器件，比如max3238e，在rs-232总线和cmos引脚提供±15kv的esd保护。
具有±15kv esd保护的rs-232器件通常与标准的rs-232器件具有相同的引脚和功能，无需更改电路板布线即可替换器件。例如，max3232与max3232e具有相同引脚排列、封装类型和功能。
低压工作
从历史上看，rs-232兼容器件最少需要两路供电电压，一路大于+5v，一路小于(更负) -5v，这两路电源用于支持发送器提供至少±5v的输出摆幅。图4所示波形中，如果系统可以提供±12v电源，则可满足这一输出电平的需求。而目前绝大多数系统中都不具备±12v (或其它电压)电源，为了采用单电源提供两路供电电压，maxim公司开发了众多内置电源转换器的收发器。
图4. rs-232输出电平摆幅
以下内容讨论了各种双电源供电的特殊需求。
3.0v至5.5v单电源供电
虽然大部分rs-232系统采用5v单电源供电，但越来越多的应用要求器件工作在3.3v电源。在3.3v单电源供电系统中，器件工作在3.3v非常重要，同时也要求rs-232器件能够兼容于3v逻辑接口。采用类似于5v单电源供电器件的技术，maxim推出了能够工作在3.0v至5.5v单电源的收发器产品。
与单5v供电的rs-232收发器相同，采用3.0v至5.5v单电源供电的器件同样集成了两路电荷泵电源。这类rs-232器件由于采用了低压差发送器，在采用低至±5.5v的电荷泵电源供电时能够满足±5v最小摆幅的要求。因此，这些器件工作在3v单电源时仍然兼容于rs-232规范。虽然这类产品可以工作在最低3.0v，但也可以工作在最高5.5v电压，即同一器件可以支持3.3v和5v设计。图5所示为max3232e工作在3.3v至5v的rs-232器件。
图5. max3232e rs-232收发器内置电荷泵，可以工作在3.3v至5v单电源。
2.7v至3.6v单电源供电
为了使器件在低于3.0v供电时仍然兼容于rs-232规范，电荷泵倍压和反相将无法实现这一目标。图6所示max3212采用基于电感的转换器产生±6.5v，以满足发送器的需求。利用buck转换器拓扑，器件可以工作在2.7v至3.6v单电源。
图6. max3212集成buck转换器，允许器件采用2.7v至3.6v单电源供电。
1.8v至4.25v单电源供电
max3218 (图7所示)采用混合架构解决供电问题，通过基于电感的转换器产生+6.5v电压，然后利用电荷泵产生-6.5v电压。基于这种技术，器件可以工作在1.8v至4.25v单电源。如此宽的电源输入范围，使max3218能够理想用于电池供电系统。
图7. max3218采用基于电感的升压转换器，并利用电荷泵产生反相电压，器件可采用1.8v至4.25v单电源供电。
自动关断(autoshutdown)
许多rs-232器件仅仅工作很短一段时间，例如：血糖仪，大部分时间不会使用rs-232端口。如果没有使用rs-232端口，最好将rs-232器件置于低功耗关断状态以节省电能。
自动关断是系统的一个省电模式，如果监测到rs-232接口没有使用，则将rs-232器件置于低功耗关断状态。自动关断的重要意义在于它不需要处理器介入，无需软件处理即可达到省电的目的。
自动关断监控器检测rs-232的接收器，如果连接到其它rs-232器件，接收器侧可以检测到低于-3v或高于+3v的有效rs-232信号。如果没有任何连接，接收器电压通常为地电位，如果自动关断功能检测到所有接收器电压处于-0.3v至+0.3v之间，持续时间达到30µs以上，则判断为没有连接有效的发送器，器件将自动进入低功耗状态，请参考图8和图10。如果任意一路接收器输入超过+2.7v或低于-2.7v，收发器将自动脱离低功耗状态，请参考图9和图10。
图8. 所有接收器输入介于±0.3v以内的时间超过30µs时，器件进入自动关断模式。
图9. 任何一路接收器的输入超出±2.7v时，退出自动关断模式。
图10. 进入、退出自动关断的门限值
低功耗模式下，发送器和发送器使用的电荷泵也会关闭。由于接收器工作时消耗非常低的电流，接收器将始终保持有效工作状态。由此，max3221的典型静态电流可以从0.3ma降至1µa (最大值从1ma降至10µa)。需要注意的是，一旦在接收器上检测到有效的rs-232电平时，器件需要100µs才能使发送器进入有效工作状态。max3221和max3243是具有自动关断功能的rs-232器件。
增强型自动关断(autoshutdown plus™)
类似于自动关断功能，增强型自动关断设计用于只要没有使用rs-232器件即刻关断整个器件，以节省功耗。如果在30s内器件没有有效信号，增强型自动关断将关断器件。这种功能适用于发送器连接到rs-232端口，但没有发送数据的场合。
增强型自动关断需要关注两种情况。
器件同时监测接收器和发送器是否有效工作。
将无效的引脚连接到forceon和forceoff时，器件的工作状况类似于自动关断，如图11所示。
图11. 将forceon、forceoff输入连接到无效输出，增强型自动关断器件的工作状况将类似于自动关断器件。
max3224e和max3245e是具有增强型自动关断功能的rs-232器件。
megabaud™
对于需要宽带、低辐射的应用，megabaud rs-232器件不失为理想的解决方案。megabaud是maxim推出的1mbps、甚至更高速率的rs-232逻辑电平兼容的器件名称。注意，这里采用了“兼容”，而非“满足”，因为megabaud功能实际上并不符合rs-232的限摆率要求。
在典型的rs-232应用中，限摆率有利于降低辐射和反射，但也限制了最高数据速率。限制发送器的摆率，使其低于30v/µs。这一限制是为了最终将rs-232定义为一个简单的物理接口。如果没有这个限制，则要注意辐射、传输线等问题的影响。尽管限摆率简化了物理连接，但也影响了可以达到的最高数据速率。
maxim推出的megabaud器件在支持高速数据传输的前提下确保rs-232标准的兼容性，为了保证简单的物理连接，这些器件仍然具有限摆率特性，但摆率高于rs-232标准规定的限制(比如，max3237e的摆率限制在150v/µs)。
这些设计意味着什么呢? 严格意义上讲，megabaud器件不满足rs-232标准，如果把具有megabaud能力的器件插入普通的rs-232标准接口，即使数据速率低至20kbps也不能保证正常运行。而在实际应用中，低数据速率下可以正常工作的器件，但当工作在1mbps速率时则完全无法正常工作。为了支持1mbps的数据速率，电缆两端的产品都需要采用megabaud器件。
有些megabaud器件带有一个标注为mbaud的引脚，通过逻辑电平控制该引脚可以将器件配置为既可以工作在低于30v/µs的rs-232限摆率条件下，也可以工作在更高摆率的megabaud模式。如果连接到常规rs-232接口，器件可以工作在真正的rs-232标准模式。如果连接到另一个megabaud器件，则可支持1mbps，甚至更高速率的数据传输。
vl引脚
在绝大多数现代应用中，微控制器(µc)的供电电压远远低于收发器的电源电压。所以，在µc和rs-232收发器之间需要添加逻辑电平转换器。有些rs-232器件集成了电平转换器，例如max3386e提供一个vl引脚，用于配置接收器输出和发送器输入端的逻辑电平。这一特性对于多电源供电和/或多逻辑电平系统非常实用。比如，图12中的max3386e工作在3.0v至5.5v单电源，vl引脚将逻辑门限设置在0.8v至5v。
图12. max3386e包含一个vl引脚，允许在混合电压系统中提供可编程的逻辑门限。
微型封装
由于绝大多数现代应用中都要求小尺寸设计，需要把ic放置在非常小的电路板区域。目前所能提供的最小封装是芯片级封装(csp)。晶片级封装(wlcsp)设计是ic倒装在印刷电路板上;芯片的焊盘通过独立的焊球焊接到pcb上，不需要任何其它填充物(图13)。wlcsp技术不同于其它球栅阵列、引线封装和层叠csp技术，它不需要绑定线或内部连线。wlcsp封装的优势在于ic与pcb之间的寄生电感非常小;另外，它还有助于减少封装尺寸、缩短生产时间、改善热传导特性。ucsp™是maxim的wlcsp封装商标。
图13. 典型的14焊球wlcsp封装
结论
在过去的25年，rs-232技术随着应用需求的变化而稳步发展。maxim的众多rs-232收发器在业内占据了重要的优势。另外，没有任何理由显示这类产品的设计已经止步不前。
rs-232串口通信仍将在低成本、设计简单的产品中继续发挥重要作用。在未来的应用中，低供电电压、高数据率将成为新设计的普遍要求。未来的器件设计将会集成电气隔离、过压保护等功能。我们坚信maxim将继续保持这一领域创新设计的领导地位。
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AI需要克服障碍的三个关键领域
双电源供电与双回路供电的区别
单相电机不转嗡嗡响的原因是什么？应该如何解决
自动驾驶是否准备好了上路
引言
在过去的25年，为了满足rs-232的发展对rs-232收发器进行了多次修改。这些创新设计包括：集成电荷泵、高esd保护、自动关断(autoshutdown™)、3.3v单电源供电、宽带、电平转换等，封装尺寸也在不断缩小。这些改进增强了器件功能，有助于简化rs-232接口设计，减少器件数量，节省电路板面积。作为rs-232收发器产品的领导者，maxim integrated products推出了超过158种具有增值功能的rs-232器件，以满足广泛的应用需求。
本应用笔记回顾了rs-232收发器的关键功能，从其发展过程看，rs-232收发器的演变也反映了串口通信的发展需求。
背景
eia/tia-232-e标准于1962年发布，此后进行了4次修改，以满足不断变化的串口通信要求。eia/tia-232-e标准的官方名称是“数据终端设备(dte)与数据电路端设备(cte)之间串行交换二进制数据的接口”，可以简单地定义为：主机系统(dte)与外设系统(cte)之间的串行数据通信(图1)。
图1. dte至dce系统框图，电路采用max214收发器，显示两台pc的dte与dce之间的连接。
应用历史
历史上，rs-232串行通信常常用于连接计算机和外围设备，比如：调制解调器、打印机、键盘、游戏手柄、鼠标等。近几年，大部分这类应用已经转为通用串行总线(usb)等其它通信协议。
现在，rs-232串行通信主要用于gps、pos、血糖仪、条形码扫描仪、汽车数据通信设备、机顶盒、游戏机等需要低成本、低速率(低于1mbps)的通信系统。
rs-232 ic的演进过程
虽然rs-232收发器设计经历了重大演进，但在当前应用中，工程师仍然使用rs-232协议。从图2可以看出rs-232的创新进程，我们将在后续章节逐一讨论。
图2. rs-232收发器的发展进程
集成电荷泵
最初的rs-232 ic需要采用双电源(+15v和-15v)供电，以支持rs-232发送器的正、负输出摆幅(请参考图3 ，通道1)。而大多数系统只提供一个电源，这就需要外部电荷泵对单电源进行倍压，然后再进行反相。二十世纪八十年代，maxim率先将电荷泵集成到rs-232收发器内，创造出首款单电源供电的rs-232 ic max232。这是最早推出的能够对电源电压进行倍压、反相转换，支持rs-232发送器电路的rs-232收发器。
图3. rs-232信号，通道1为发送器输出的总线信号;通道2为接收器的逻辑输出信号。
在随后推出的产品中，例如max3232，eia-232电平被定义成为5kω负载提供±5v驱动。利用新的低压差输出技术，maxim推出了内置电荷泵、可提供稳定的±5.5v输出的rs-232收发器。这种设计允许收发器以最小的电源电流提供兼容于rs-232的输出电平。
集成电荷泵如何工作呢? 第一个电荷泵的工作类似于倍压器，如果忽略少量损耗，该电荷泵能够把5v电源电压转换成+10v;第二个电荷泵配置成反相器，将+10v电压转成-10v，当然实际应用会存在少量损耗。所产生的±10v电源用于rs-232发送器供电。
较高的esd保护
任何rs-232器件都会在所有引脚提供静电放电(esd)保护能力(典型值为±2kv)，避免器件处理、装配过程中受到esd冲击而损坏。由于手持设备和便携设备采用rs-232串行通信，这类应用需要更高的esd保护能力，以承受人体模式的静电冲击(hbm，工业标准要求高于±2kv的esd保护)。maxim提供的具有esd保护的rs-232收发器均在rs-232发送器输出和接收器输入引脚集成了±15kv人体模式的esd保护。有些器件，比如max3238e，在rs-232总线和cmos引脚提供±15kv的esd保护。
具有±15kv esd保护的rs-232器件通常与标准的rs-232器件具有相同的引脚和功能，无需更改电路板布线即可替换器件。例如，max3232与max3232e具有相同引脚排列、封装类型和功能。
低压工作
从历史上看，rs-232兼容器件最少需要两路供电电压，一路大于+5v，一路小于(更负) -5v，这两路电源用于支持发送器提供至少±5v的输出摆幅。图4所示波形中，如果系统可以提供±12v电源，则可满足这一输出电平的需求。而目前绝大多数系统中都不具备±12v (或其它电压)电源，为了采用单电源提供两路供电电压，maxim公司开发了众多内置电源转换器的收发器。
图4. rs-232输出电平摆幅
以下内容讨论了各种双电源供电的特殊需求。
3.0v至5.5v单电源供电
虽然大部分rs-232系统采用5v单电源供电，但越来越多的应用要求器件工作在3.3v电源。在3.3v单电源供电系统中，器件工作在3.3v非常重要，同时也要求rs-232器件能够兼容于3v逻辑接口。采用类似于5v单电源供电器件的技术，maxim推出了能够工作在3.0v至5.5v单电源的收发器产品。
与单5v供电的rs-232收发器相同，采用3.0v至5.5v单电源供电的器件同样集成了两路电荷泵电源。这类rs-232器件由于采用了低压差发送器，在采用低至±5.5v的电荷泵电源供电时能够满足±5v最小摆幅的要求。因此，这些器件工作在3v单电源时仍然兼容于rs-232规范。虽然这类产品可以工作在最低3.0v，但也可以工作在最高5.5v电压，即同一器件可以支持3.3v和5v设计。图5所示为max3232e工作在3.3v至5v的rs-232器件。
图5. max3232e rs-232收发器内置电荷泵，可以工作在3.3v至5v单电源。
2.7v至3.6v单电源供电
为了使器件在低于3.0v供电时仍然兼容于rs-232规范，电荷泵倍压和反相将无法实现这一目标。图6所示max3212采用基于电感的转换器产生±6.5v，以满足发送器的需求。利用buck转换器拓扑，器件可以工作在2.7v至3.6v单电源。
图6. max3212集成buck转换器，允许器件采用2.7v至3.6v单电源供电。
1.8v至4.25v单电源供电
max3218 (图7所示)采用混合架构解决供电问题，通过基于电感的转换器产生+6.5v电压，然后利用电荷泵产生-6.5v电压。基于这种技术，器件可以工作在1.8v至4.25v单电源。如此宽的电源输入范围，使max3218能够理想用于电池供电系统。
图7. max3218采用基于电感的升压转换器，并利用电荷泵产生反相电压，器件可采用1.8v至4.25v单电源供电。
自动关断(autoshutdown)
许多rs-232器件仅仅工作很短一段时间，例如：血糖仪，大部分时间不会使用rs-232端口。如果没有使用rs-232端口，最好将rs-232器件置于低功耗关断状态以节省电能。
自动关断是系统的一个省电模式，如果监测到rs-232接口没有使用，则将rs-232器件置于低功耗关断状态。自动关断的重要意义在于它不需要处理器介入，无需软件处理即可达到省电的目的。
自动关断监控器检测rs-232的接收器，如果连接到其它rs-232器件，接收器侧可以检测到低于-3v或高于+3v的有效rs-232信号。如果没有任何连接，接收器电压通常为地电位，如果自动关断功能检测到所有接收器电压处于-0.3v至+0.3v之间，持续时间达到30µs以上，则判断为没有连接有效的发送器，器件将自动进入低功耗状态，请参考图8和图10。如果任意一路接收器输入超过+2.7v或低于-2.7v，收发器将自动脱离低功耗状态，请参考图9和图10。
图8. 所有接收器输入介于±0.3v以内的时间超过30µs时，器件进入自动关断模式。
图9. 任何一路接收器的输入超出±2.7v时，退出自动关断模式。
图10. 进入、退出自动关断的门限值
低功耗模式下，发送器和发送器使用的电荷泵也会关闭。由于接收器工作时消耗非常低的电流，接收器将始终保持有效工作状态。由此，max3221的典型静态电流可以从0.3ma降至1µa (最大值从1ma降至10µa)。需要注意的是，一旦在接收器上检测到有效的rs-232电平时，器件需要100µs才能使发送器进入有效工作状态。max3221和max3243是具有自动关断功能的rs-232器件。
增强型自动关断(autoshutdown plus™)
类似于自动关断功能，增强型自动关断设计用于只要没有使用rs-232器件即刻关断整个器件，以节省功耗。如果在30s内器件没有有效信号，增强型自动关断将关断器件。这种功能适用于发送器连接到rs-232端口，但没有发送数据的场合。
增强型自动关断需要关注两种情况。
器件同时监测接收器和发送器是否有效工作。
将无效的引脚连接到forceon和forceoff时，器件的工作状况类似于自动关断，如图11所示。
图11. 将forceon、forceoff输入连接到无效输出，增强型自动关断器件的工作状况将类似于自动关断器件。
max3224e和max3245e是具有增强型自动关断功能的rs-232器件。
megabaud™
对于需要宽带、低辐射的应用，megabaud rs-232器件不失为理想的解决方案。megabaud是maxim推出的1mbps、甚至更高速率的rs-232逻辑电平兼容的器件名称。注意，这里采用了“兼容”，而非“满足”，因为megabaud功能实际上并不符合rs-232的限摆率要求。
在典型的rs-232应用中，限摆率有利于降低辐射和反射，但也限制了最高数据速率。限制发送器的摆率，使其低于30v/µs。这一限制是为了最终将rs-232定义为一个简单的物理接口。如果没有这个限制，则要注意辐射、传输线等问题的影响。尽管限摆率简化了物理连接，但也影响了可以达到的最高数据速率。
maxim推出的megabaud器件在支持高速数据传输的前提下确保rs-232标准的兼容性，为了保证简单的物理连接，这些器件仍然具有限摆率特性，但摆率高于rs-232标准规定的限制(比如，max3237e的摆率限制在150v/µs)。
这些设计意味着什么呢? 严格意义上讲，megabaud器件不满足rs-232标准，如果把具有megabaud能力的器件插入普通的rs-232标准接口，即使数据速率低至20kbps也不能保证正常运行。而在实际应用中，低数据速率下可以正常工作的器件，但当工作在1mbps速率时则完全无法正常工作。为了支持1mbps的数据速率，电缆两端的产品都需要采用megabaud器件。
有些megabaud器件带有一个标注为mbaud的引脚，通过逻辑电平控制该引脚可以将器件配置为既可以工作在低于30v/µs的rs-232限摆率条件下，也可以工作在更高摆率的megabaud模式。如果连接到常规rs-232接口，器件可以工作在真正的rs-232标准模式。如果连接到另一个megabaud器件，则可支持1mbps，甚至更高速率的数据传输。
vl引脚
在绝大多数现代应用中，微控制器(µc)的供电电压远远低于收发器的电源电压。所以，在µc和rs-232收发器之间需要添加逻辑电平转换器。有些rs-232器件集成了电平转换器，例如max3386e提供一个vl引脚，用于配置接收器输出和发送器输入端的逻辑电平。这一特性对于多电源供电和/或多逻辑电平系统非常实用。比如，图12中的max3386e工作在3.0v至5.5v单电源，vl引脚将逻辑门限设置在0.8v至5v。
图12. max3386e包含一个vl引脚，允许在混合电压系统中提供可编程的逻辑门限。
微型封装
由于绝大多数现代应用中都要求小尺寸设计，需要把ic放置在非常小的电路板区域。目前所能提供的最小封装是芯片级封装(csp)。晶片级封装(wlcsp)设计是ic倒装在印刷电路板上;芯片的焊盘通过独立的焊球焊接到pcb上，不需要任何其它填充物(图13)。wlcsp技术不同于其它球栅阵列、引线封装和层叠csp技术，它不需要绑定线或内部连线。wlcsp封装的优势在于ic与pcb之间的寄生电感非常小;另外，它还有助于减少封装尺寸、缩短生产时间、改善热传导特性。ucsp™是maxim的wlcsp封装商标。
图13. 典型的14焊球wlcsp封装
结论
在过去的25年，rs-232技术随着应用需求的变化而稳步发展。maxim的众多rs-232收发器在业内占据了重要的优势。另外，没有任何理由显示这类产品的设计已经止步不前。
rs-232串口通信仍将在低成本、设计简单的产品中继续发挥重要作用。在未来的应用中，低供电电压、高数据率将成为新设计的普遍要求。未来的器件设计将会集成电气隔离、过压保护等功能。我们坚信maxim将继续保持这一领域创新设计的领导地位。
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自动驾驶是否准备好了上路