基于CP2102的RS232轉USB接口的應用設計

　　1 引言

　　目前儀器設備大都采用RS232接口與計算機通信，但隨著計算機技術的發(fā)展，支持熱插拔的USB標準接口將取代RS232接口，因此計算機將越來越少配置甚至不配置RS232接口。RS232接口與USB接口雖然都屬于串行接幾，但它們的數(shù)據(jù)格式、通信協(xié)議、信號電平以及機械連接方式則不同。這樣計算機不能控制現(xiàn)有儀器設備，解決這一問題就得把現(xiàn)有的儀器設備的RS232接口轉換成USB接口。實現(xiàn)這種轉換有兩種方案，一種方案是從硬件底層固件開始全面開發(fā)系統(tǒng)，該方案由于開發(fā)成本高、難度大，加之單片機的限制，因而很少采用；另一種方案是采用USB／RS232橋接器件如CP2102，CP2103進行設計，計算機通過USB接口虛擬一個RS232接口，與傳統(tǒng)設備器件連接，設備對計算機接口的形式為USB接口。

　　2 CP2102／CP2103簡介

　　Silicon Laboratories公司推出的USB接口與RS232接口轉換器CP2102／CP2103是一款高度集成的USB-UART橋接器，提供一個使用最小化元件和PCB空間來實現(xiàn)RS232轉換USB的簡便解決方案。如圖1所示，CP2102／CP2103包含了一個USB功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調(diào)制解調(diào)器控制信號的異步串行數(shù)據(jù)總線(UART)，采用5 mm×5 mm MLP-28的封裝。

　　CP2102／CP2103作為USB／RS232雙向轉換器，一方面可以從豐機接收USB數(shù)據(jù)并將其轉換為RS232信息流格式發(fā)送給外設；另一方面可從RS232外設接收數(shù)據(jù)轉換為USB數(shù)據(jù)格式傳送至主機，其中包括控制和握手信號。

　　2.1 USB功能控制器和收發(fā)器

　　2.2 異步串行數(shù)據(jù)總線(UART)接口

　　CP2102／CP2103 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。

　　通過編程設置UART，支持各種數(shù)據(jù)格式和波特率。在PC機的COM端口編程設置UART的數(shù)據(jù)格式和波特率。表1為其數(shù)據(jù)格式和波特率。

　　2.3 內(nèi)部EEPROM

　　CP2102／CP2103內(nèi)部集成有1個EEPROM，用于存儲由設備制造商定義的USB供應商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。如果EEPROM沒有被OEM的數(shù)據(jù)占用，則采用表1所示的默認配置數(shù)據(jù)。注意，對于可能使用多個基于CP2102／CP2103連接到同一PC機的OEM應用來說，則需要專用的序列號。

　　內(nèi)部EEPROM是通過USB編程設置的，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／CP2103。Cygnal提供了一個專門為CP2102／CP2103的內(nèi)部EEP-ROM編程設置工具，同時還提供免費的驅動Windows DLL格式的程序庫。這個程序庫可將。EEP-ROM編程步驟集成到OEM在制造中進行流水線式測試和序列號的管理的自定義軟件中。EEP-ROM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，應將其鎖定。

　　2.4 其他功能

　　CP2103除上述功能外也可實現(xiàn)RS485接口與USB接口轉換功能，CP2103支持4個可按照控制信息定義的GPIO引腳。

　　3 典型應用電路

　　3.1 硬件電路設計

　　原設備的RS232接口僅用TXD／RXD 2個引腳信號和地3條線。單片機8031與RS232接口間的電平驅動采用Maxim公司的MAX202CPE，而采用光電耦合器6N137實現(xiàn)隔離。

　　采用CP2102改造的接口應用電路如圖2所示。該電路已通過制板和軟硬件調(diào)試，完全可靠。串口擴展，儀需2～3只外部去耦電容器，REGIN端需加0.1μF與1.0μF并聯(lián)的去耦電容。CP2102的供電電源由計算機的USB接口提供，再連接3只保護管以便于使用。該電路僅使用CP2102的UART總線上TXD／RXD 2個引腳，其余懸空。單片機可直接識別CP2102的UART總線上信號，為確保數(shù)據(jù)收發(fā)的穩(wěn)定性，避免通信過程產(chǎn)生干擾，采用光電耦合器隔離，并將RST采用一只4.7 kΩ電阻上拉至VDD。

　　當CP2102轉換器與主機連接后，必須根據(jù)操作系統(tǒng)選擇相對應的虛擬串行口驅動程序。不必修改設備的應用程序，就像存取一個標準的物理串口一樣訪問該虛擬串口，端口設備會產(chǎn)生“CP2102 USB to UART Bridge Controller(COM×)”的新端口(×隨計算機的配置而異)，此時說明驅動程序安裝成功。實質上，所有針對虛擬串口的數(shù)據(jù)通信都足以USB總線傳輸實現(xiàn)的，但在設備上，收發(fā)則是RS232數(shù)據(jù)。

　　3.2 軟件設計

　　計算機采用C語言的通訊控制函數(shù)，按串行口方式設置，以實現(xiàn)接口通訊軟件設計。單片機通訊程序如下所示。該通訊程序在波特率9 600～600調(diào)試，通訊準確可靠。

　　4 結束語

　　基于CP2102／CP2103的RS232轉換為USB接口電路具有電路簡單，運行可靠，成本低廉等特點，對原有的RS232傳統(tǒng)器件設備無需任何改動，就能將其RS232設備升級為USB接口設備。