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

摘要：由于USB接口正逐步替代傳統(tǒng)的RS232接口成為PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口，USB接口轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)就很有必要。采用Silicon公司高集成度的USB—UART橋接器件CP2102，輔以簡單的外部電路，實(shí)現(xiàn)了RS232／RS422接口與USB接口轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)。其中在詳細(xì)介紹CP2102結(jié)構(gòu)和特性的基礎(chǔ)上，給出了接口轉(zhuǎn)換的硬件電路圖，最后簡單介紹了轉(zhuǎn)換器的工作原理。
關(guān)鍵詞：USB；CP2102；RS232；RS422

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)，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(shí)，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(duì)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，計(jì)算機(jī)通過USB接口虛擬一個(gè)RS232接口與傳統(tǒng)設(shè)備器件連接，設(shè)備對(duì)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(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Silicon公司的CP2102系列性能價(jià)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(gè)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(duì)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(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)可以在出廠和測試時(shí)直接寫入系統(tǒng)板上的CP2102。Cygnal提供了一個(gè)專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。這個(gè)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(hào)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(shí)間為100年。為了防止更改USB描述符，應(yīng)將其鎖定。