USB、RS232／RS422接口轉換電路的設計

摘要：由于USB接口正逐步替代傳統的RS232接口成為PC機的標準接口，USB接口轉換電路的設計就很有必要。采用Silicon公司高集成度的USB—UART橋接器件CP2102，輔以簡(jiǎn)單的外部電路，實(shí)現了RS232／RS422接口與USB接口轉換電路的設計。其中在詳細介紹CP2102結構和特性的基礎上，給出了接口轉換的硬件電路圖，最后簡(jiǎn)單介紹了轉換器的工作原理。
關(guān)鍵詞：USB；CP2102；RS232；RS422

USB總線(xiàn)是一種新型的通用串行數據總線(xiàn)，具有傳輸速率高、可靠性高、即插即用、可熱插拔等特點(diǎn)，成為當前PC機上最重要的外部設備擴展總線(xiàn)。因此，USB接口的設計成為實(shí)現計算機與外圍硬件設備數據傳輸的工具之一。隨著(zhù)計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機越來(lái)越少配置串口或不配置串口(筆記本電腦更明顯)，然而計算機與外圍硬件設備通信時(shí)，串口仍是主要接口之一，如計算機從串口的儀器儀表中獲取數據計算機對外圍電路進(jìn)行控制以及單片機調試等。實(shí)現USB接口的轉換有兩種方案可選，一種方案是從硬件底層固件開(kāi)始全面開(kāi)發(fā)系統，但是該方案開(kāi)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橋接器件，計算機通過(guò)USB接口虛擬一個(gè)RS232接口與傳統設備器件連接，設備對計算機接口的形式為USB接口。此類(lèi)器件的出現大大簡(jiǎn)化了USB接口的開(kāi)發(fā)過(guò)程。本文采用第二種方案實(shí)現USB接口與RS232接口，USB接口與RS422接口的雙向轉換。

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。