USB、RS232/RS422接口轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

黃燕妮，王少云

（1.南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.南京航空航天大學(xué) 無人機(jī)研究院，江蘇 南京 210016）

USB總線是一種新型的通用串行數(shù)據(jù)總線，具有傳輸速率高、可靠性高、即插即用、可熱插拔等特點(diǎn)[1]，成為當(dāng)前PC機(jī)上最重要的外部設(shè)備擴(kuò)展總線。因此，USB接口的設(shè)計(jì)成為實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與外圍硬件設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぞ咧?。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)越來越少配置串口或不配置串口 （筆記本電腦更明顯），然而計(jì)算機(jī)與外圍硬件設(shè)備通信時，串口仍是主要接口之一，如計(jì)算機(jī)從串口的儀器儀表中獲取數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)對外圍電路進(jìn)行控制以及單片機(jī)調(diào)試等。

實(shí)現(xiàn)USB接口的轉(zhuǎn)換有兩種方案可選，一種方案是從硬件底層固件開始全面開發(fā)系統(tǒng)，但是該方案開發(fā)成本高、難度大，加之單片機(jī)的限制，因而很少采用；另一種方案是采用USB橋接器件[2]，計(jì)算機(jī)通過USB接口虛擬一個RS232接口與傳統(tǒng)設(shè)備器件連接，設(shè)備對計(jì)算機(jī)接口的形式為USB接口。此類器件的出現(xiàn)大大簡化了USB接口的開發(fā)過程。本文采用第二種方案實(shí)現(xiàn)USB接口與RS232接口，USB接口與RS422接口的雙向轉(zhuǎn)換。

1 方案選擇

目前市場上的關(guān)于USB橋接芯片有多種類型，其中PROLIPIC公司的PL2303HX最便宜，但外圍電路較CP2102復(fù)雜，性能相對稍差，并且焊接芯片需要一定的功底；而FTDI公司的FT8U232BM雖然性能穩(wěn)定，并且驅(qū)動支持最好，焊接起來相對也比較容易，但其價格稍貴且外圍電路比較復(fù)雜；美國Silicon公司的CP2102系列性能價錢介于兩者之間，電路最簡單,體積小，可實(shí)現(xiàn)單片獨(dú)立工作而無須外部元件。綜合考慮，文中選用CP2102系列進(jìn)行電路轉(zhuǎn)換。

2 CP2102介紹

CP2102是一種高度集成的 USB轉(zhuǎn) UART橋接器，提供一個使用最小化的元件和PCB空間實(shí)現(xiàn) RS232轉(zhuǎn) USB的簡便的解決方案。該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部基本連接電路如圖1所示。針對CP2102內(nèi)部主要部分的功能，下面作簡單的介紹。

CP2102中的USB功能控制器是一個符合USB2.0的全速電路,帶有收發(fā)器和相應(yīng)的片內(nèi)上拉電阻器。USB功能控制器管理USB與UART間的所有數(shù)據(jù)傳輸,以及由USB主控制器發(fā)出的請求命令和用于控制UART功能的命令。通過USB掛起和恢復(fù)信號可支持CP2102及外部電路的電源管理。當(dāng)在總線上檢測到掛起信號時,CP2102將進(jìn)入掛起模式。在進(jìn)入掛起模式時,CP2102會發(fā)出SUSPEND和信號。同時,在CP2102復(fù)位后,CP2102也會發(fā)出該信號直到USB要求的器件配置完成。

CP2102 UART接口包括TX（發(fā)送）和RX（接收）數(shù)據(jù)信號以及 RTS、CTS、DSR、DTR、DCD 和 RI控制信號。 UART 支持RTS/CTS、DSR/DTR和X-On/X-Off握手。通過編程設(shè)置UART，支持各種數(shù)據(jù)格式和波特率。在PC機(jī)的COM端口編程設(shè)置UART的數(shù)據(jù)格式和波特率。

CP2102內(nèi)部集成有1個EEPROM，用于存儲由設(shè)備制造商定義的USB供應(yīng)商ID﹑產(chǎn)品ID﹑產(chǎn)品說明﹑電源參數(shù)﹑器件版本號和器件序列號等信息。USB配置數(shù)據(jù)的定義是可選的。內(nèi)部EEPROM是通過USB編程設(shè)置的,允許OEM的USB配置數(shù)據(jù)和序列號可以在出廠和測試時直接寫入系統(tǒng)板上的CP2102。Cygnal提供了一個專CP2102的內(nèi)部EEPROM編程設(shè)置工具，同時還提供免費(fèi)的驅(qū)動Windows DLL格式的程序庫。這個程序庫可將EEPROM編程步驟集成到OEM在制造中進(jìn)行流水線式測試和序列號的管理的自定義軟件中。EEPROM的寫壽命的典型值為100 000次,數(shù)據(jù)保持時間為100年。為了防止更改USB描述符，應(yīng)將其鎖定。

CP2101是一個可以由USB總線驅(qū)動的器件電源由 USB的VBUS信號提供。它包括一個用于實(shí)現(xiàn)此功能的片內(nèi)5 V轉(zhuǎn)3 V電壓調(diào)節(jié)器。電壓調(diào)節(jié)器的3 V輸出被引出到VDD引腳使得外部的3 V器件可以由USB供電。 注意:CP2101的VBUS和 REGIN引腳都應(yīng)該總是被連接到USB的 VBUS信號上[3]。

圖1 CP2102的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部基本連接Fig.1 The internal structure and the external basic connection of CP2102

3 硬件電路設(shè)計(jì)

文中采用的直流電源選用國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的1A集成穩(wěn)壓電路LM2575-ADJ系列,實(shí)現(xiàn)28 V到5 V電源的轉(zhuǎn)換。它內(nèi)部集成了一個固定的振蕩器,只須極少外圍器件便可構(gòu)成一種高效的穩(wěn)壓電路。

轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖2所示。該電路能可靠的實(shí)現(xiàn)USB接口、UART接口、RS232接口及RS422總線接口之間的轉(zhuǎn)換。

圖2 轉(zhuǎn)換電路原理圖Fig.2 Principle diagram of conversion circuit

電路中CP2102完成USB接口功能，電源來自USB接口的VBUS，用于完成到TTL電平的轉(zhuǎn)換。為了增加抗干擾能力,CP2102的第9腳與第6腳VDD之間接有一個4.7 kΩ的電阻，為了確保數(shù)據(jù)收發(fā)的穩(wěn)定性，避免通信過程中的干擾，在REGIN的輸入端加了去耦電容0.1F與1.0F并連。RS-232接口芯片完成TTL電平到RS232電平的轉(zhuǎn)換，本文選用的是美信公司專門為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232系列，該芯片使用+5 V單電源供電，內(nèi)部集成2個RS-232C驅(qū)動器，功耗低，且高集成度[4]，片外最低只需4個電容即可工作。

RS422接口芯片用于完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS422電平，本文選用美信公司的MAX490系列。MAX490工作在5 V單電源下，是用于RS-485與RS-422通信的低功耗收發(fā)器，具有一個驅(qū)動器和一個接收器，驅(qū)動器擺率不受限制，可以實(shí)現(xiàn)最高2.5 Mbps的傳輸速率[5]。另外電路中為避免通信信號的反射和回波，在RS422的接收端并聯(lián)一個120 Ω的終端電阻。

4 USB接口轉(zhuǎn)換器的工作原理

當(dāng)轉(zhuǎn)換器連接到USB總線后，首先必須根據(jù)操作系統(tǒng)安裝相對應(yīng)的CP2102 USB驅(qū)動程序。用戶可以用內(nèi)部EEPROM編程設(shè)置工具對CP2102中的EEPROM進(jìn)行設(shè)置，寫入用戶自定義的廠商ID、產(chǎn)品ID、序列號、用戶描述字符等數(shù)據(jù)。

如果驅(qū)動程序安裝成功，USB接口轉(zhuǎn)換器將向Windows操作系統(tǒng)暴露一個虛擬的串行接口COMX(X隨計(jì)算機(jī)的配置而異)，該工作由Silicon公司提供的USB驅(qū)動程序完成。這個虛擬的串行接口與真實(shí)的串行接口的工作方式完全一樣，在用戶的應(yīng)用程序中可以像控制傳統(tǒng)串行接口一樣使用這個虛擬串口。因此，無需修改傳統(tǒng)的通過RS232/RS422接口工作控制軟件程序，就可通過USB接口轉(zhuǎn)換器傳輸數(shù)據(jù)。本質(zhì)上所有針對虛擬串口的數(shù)據(jù)通信都是以USB總線傳輸來完成的，但在設(shè)備一方，收發(fā)的是RS232/RS422數(shù)據(jù)[6]。

5 結(jié)束語

文中以CP2102為核心，設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換電路能方便的實(shí)現(xiàn)USB、RS232及RS422總線的轉(zhuǎn)換，并已得到成功應(yīng)用。該轉(zhuǎn)換電路采用的通用轉(zhuǎn)換芯片不僅價格低廉、簡單實(shí)用，而且性能可靠，能滿足大多數(shù)的應(yīng)用場合，有較大的實(shí)用價值。

[1]余善恩，尚群立.RS232設(shè)備到USB設(shè)備的升級及USB設(shè)備的開發(fā)[J].計(jì)算機(jī)工程，2007，33（3）:256-258.

YU Shan-en,SHANG Qun-li.Method of upgrade RS232 device to USB device and development of USB device[J].Computer Engineering，2007，33（3）:256-258.

[2]徐民，張博.基于CP2102/CP2103的RS232接口轉(zhuǎn)換為USB接口的應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2008，16（5）：15-17.

XU Min，ZHANG Bo.Design of RS232/USB upgrade based on CP2102/CP2103[J].Electronic Design Engineering，2008，16（5）:15-17.

[3]Silicon Laboratories.CP2102 DataSheet[EB/OL].[2010-8].http://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/cp2102.pdf.

[4]胡瑋，魏偉.RS232與RS485串行接口轉(zhuǎn)換電路及其編程實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2010，8（1）：69-70.

HU Wei，WEI Wei.RS232 to RS485 serial interface conversion circuitanditsprogramme[J].ExperimentScience&Technology，2010，8（1）：69-70.

[5]Maxim Integrated Products.MAX1487-MAX491 Datasheet[EB/OL][2009 -9].http://datasheets.maxim-ic.com/cn/ds/MAX1487-MAX491_cn.pdf.

[6]張博.用CP2102升級串行接口為USB接口的應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2009，28（6）：104-106.

ZHANG Bo.RS232/USB Upgrade design with CP2102[J].Techniques of Automation and Applications，2009，28 （6）：104-106.