USB、RS232/RS422接口轉換電路的設計

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雖然性能穩定，并且驅動(dòng)支持最好，焊接起來(lái)相對也比較容易，但其價(jià)格稍貴且外圍電路比較復雜；美國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)現單片獨立工作而無(wú)須外部元件。綜合考慮，文中選用CP2102系列進(jìn)行電路轉換。

2 CP2102介紹
CP2102是一種高度集成的USB轉UART橋接器，提供一個(gè)使用最小化的元件和PCB空間實(shí)現RS232轉USB的簡(jiǎn)便的解決方案。該芯片的內部結構及外部基本連接電路如圖1所示。針對CP2102內部主要部分的功能，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)器和相應的片內上拉電阻器。USB功能控制器管理USB與UART間的所有數據傳輸，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(guò)USB掛起和恢復信號可支持CP2102及外部電路的電源管理。當在總線(xiàn)上檢測到掛起信號時(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。同時(shí)，在CP2102復位后，CP2102也會(huì )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)數據信號以及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(guò)編程設置UART，支持各種數據格式和波特率。在PC機的COM端口編程設置UART的數據格式和波特率。
CP2102內部集成有1個(gè)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(shuō)明、電源參數、器件版本號和器件序列號等信息。USB配置數據的定義是可選的。內部EEPROM是通過(guò)USB編程設置的，允許OEM的USB配置數據和序列號可以在出廠(chǎng)和測試時(shí)直接寫(xiě)入系統板上的CP2102。Cygnal提供了一個(gè)專(zhuān)CP2102的內部EEPROM編程設置工具，同時(shí)還提供免費的驅動(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(xiàn)式測試和序列號的管理的自定義軟件中。EEPROM的寫(xiě)壽命的典型值為100 000次，數據保持時(shí)間為100年。為了防止更改USB描述符，應將其鎖定。

CP2101是一個(gè)可以由USB總線(xiàn)驅動(dòng)的器件電源由USB的VBUS信號提供。它包括一個(gè)用于實(shí)現此功能的片內5 V轉3V電壓調節器。電壓調節器的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引腳都應該總是被連接到USB的VBUS信號上。

3 硬件電路設計
文中采用的直流電源選用國家半導體公司生產(chǎn)的1A集成穩壓電路LM2575-ADJ系列，實(shí)現28 V到5 V電源的轉換。它內部集成了一個(gè)固定的振蕩器，只須極少外圍器件便可構成一種高效的穩壓電路。
轉換電路原理圖如圖2所示。該電路能可靠的實(shí)現USB接口、UART接口、RS232接口及RS422總線(xiàn)接口之間的轉換。

本文引用地址：http://dyxdggzs.com/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，為了確保數據收發(fā)的穩定性，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電平的轉換，本文選用的是美信公司專(zhuān)門(mén)為電腦的RS-232標準串口設計的單電源電平轉換芯片MAX232系列，該芯片使用+5 V單電源供電，內部集成2個(gè)RS-232C驅動(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)驅動(dòng)器和一個(gè)接收器，驅動(dòng)器擺率不受限制，可以實(shí)現最高2．5 Mbps的傳輸速率。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(gè)120 Ω的終端電阻。

4 USB接口轉換器的工作原理
當轉換器連接到USB總線(xiàn)后，首先必須根據操作系統安裝相對應的CP2102 USB驅動(dòng)程序。用戶(hù)可以用內部EEPROM編程設置工具對CP2102中的EEPROM進(jìn)行設置，寫(xiě)入用戶(hù)自定義的廠(chǎng)商ID、產(chǎn)品ID、序列號、用戶(hù)描述字符等數據。
如果驅動(dòng)程序安裝成功，USB接口轉換器將向Windows操作系統暴露一個(gè)虛擬的串行接口COMX (X隨計算機的配置而異)，該工作由Silicon公司提供的USB驅動(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(hù)的應用程序中可以像控制傳統串行接口一樣使用這個(gè)虛擬串口。因此，無(wú)需修改傳統的通過(guò)RS232／RS422接口工作控制軟件程序，就可通過(guò)USB接口轉換器傳輸數據。本質(zhì)上所有針對虛擬串口的數據通信都是以USB總線(xiàn)傳輸來(lái)完成的，但在設備一方，收發(fā)的是RS232／RS422數據。

5 結束語(yǔ)
文中以CP2102為核心，設計的轉換電路能方便的實(shí)現USB、RS232及RS422總線(xiàn)的轉換，并已得到成功應用。該轉換電路采用的通用轉換芯片不僅價(jià)格低廉、簡(jiǎn)單實(shí)用，而且性能可靠，能滿(mǎn)足大多數的應用場(chǎng)合，有較大的實(shí)用價(jià)值。