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

1 方案選擇
目前市場(chǎng)上的關(guān)于USB橋接芯片有多種類(lèi)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(duì)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(dòng)支持最好，焊接起來(lái)相對(duì)也比較容易，但其價(jià)格稍貴且外圍電路比較復(fù)雜；美國(guó)Silicon公司的CP2102系列性能價(jià)錢(qián)介于兩者之間，電路最簡(jiǎn)單，體積小，可實(shí)現(xiàn)單片獨(dú)立工作而無(wú)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(gè)使用最小化的元件和PCB空間實(shí)現(xiàn)RS232轉(zhuǎn)USB的簡(jiǎn)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(duì)CP2102內(nèi)部主要部分的功能，下面作簡(jiǎn)單的介紹。

CP2102中的USB功能控制器是一個(gè)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(qǐng)求命令和用于控制UART功能的命令。通過(guò)USB掛起和恢復(fù)信號(hào)可支持CP2102及外部電路的電源管理。當(dāng)在總線上檢測(cè)到掛起信號(hào)時(shí)，CP2102將進(jìn)入掛起模式。在進(jìn)入掛起模式時(shí)，CP2102會(huì)發(fā)出SUSPEND和信號(hào)。同時(shí)，在CP2102復(fù)位后，CP2102也會(huì)發(fā)出該信號(hào)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(hào)以及RTS、CTS、DSR、DTR、DCD和RI控制信號(hào)。UART支持RTS／CTS、DSR／DTR和X—On／X—Off握手。通過(guò)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(gè)EEPROM，用于存儲(chǔ)由設(shè)備制造商定義的USB供應(yīng)商ID、產(chǎn)品ID、產(chǎn)品說(shuō)明、電源參數(shù)、器件版本號(hào)和器件序列號(hào)等信息。USB配置數(shù)據(jù)的定義是可選的。內(nèi)部EEPROM是通過(guò)USB編程設(shè)置的，允許OEM的USB配置數(shù)據(jù)和序列號(hào)可以在出廠和測(cè)試時(shí)直接寫(xiě)入系統(tǒng)板上的CP2102。Cygnal提供了一個(gè)專(zhuān)CP2102的內(nèi)部EEPROM編程設(shè)置工具，同時(shí)還提供免費(fèi)的驅(qū)動(dòng)Windows DLL格式的程序庫(kù)。這個(gè)程序庫(kù)可將EEPROM編程步驟集成到OEM在制造中進(jìn)行流水線式測(cè)試和序列號(hào)的管理的自定義軟件中。EEPROM的寫(xiě)壽命的典型值為100 000次，數(shù)據(jù)保持時(shí)間為100年。為了防止更改USB描述符，應(yīng)將其鎖定。

CP2101是一個(gè)可以由USB總線驅(qū)動(dòng)的器件電源由USB的VBUS信號(hào)提供。它包括一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)此功能的片內(nèi)5 V轉(zhuǎn)3V電壓調(diào)節(jié)器。電壓調(diào)節(jié)器的3V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BEGIN引腳都應(yīng)該總是被連接到USB的VBUS信號(hào)上。

3 硬件電路設(shè)計(jì)
文中采用的直流電源選用國(guó)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(gè)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。

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/201973.htm

電路中CP2102完成USB接口功能，電源來(lái)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(gè)4.7kΩ的電阻，為了確保數(shù)據(jù)收發(fā)的穩(wěn)定性，避免通信過(guò)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(zhuān)門(mén)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(gè)RS-232C驅(qū)動(dòng)器，功耗低，且高集成度，片外最低只需4個(gè)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(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器，驅(qū)動(dòng)器擺率不受限制，可以實(shí)現(xiàn)最高2．5 Mbps的傳輸速率。另外電路中為避免通信信號(hào)的反射和回波，在RS422的接收端并聯(lián)一個(gè)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(duì)應(yīng)的CP2102 USB驅(qū)動(dòng)程序。用戶可以用內(nèi)部EEPROM編程設(shè)置工具對(duì)CP2102中的EEPROM進(jìn)行設(shè)置，寫(xiě)入用戶自定義的廠商ID、產(chǎn)品ID、序列號(hào)、用戶描述字符等數(shù)據(jù)。
如果驅(qū)動(dòng)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(gè)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(dòng)程序完成。這個(gè)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(gè)虛擬串口。因此，無(wú)需修改傳統(tǒng)的通過(guò)RS232／RS422接口工作控制軟件程序，就可通過(guò)USB接口轉(zhuǎn)換器傳輸數(shù)據(jù)。本質(zhì)上所有針對(duì)虛擬串口的數(shù)據(jù)通信都是以USB總線傳輸來(lái)完成的，但在設(shè)備一方，收發(fā)的是RS232／RS422數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)
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(jià)格低廉、簡(jiǎn)單實(shí)用，而且性能可靠，能滿足大多數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合，有較大的實(shí)用價(jià)值。