用CP2101將USB口擴展成串口

摘要：CP2101及其升級產(chǎn)品CP2102最美國Silicon公司生產(chǎn)的高集成度USB-UART橋接電路。它們能夠用最簡(jiǎn)單的外部電路、最少的外部器件及最小的電路板面積簡(jiǎn)便實(shí)現USB2.0到UART的轉換。文中介紹該電路的主要特性和實(shí)際應用方法。

關(guān)鍵詞：CP2101 UART USB

引言

CP2101及其升級產(chǎn)品CP2102是美國Silicon公司推出的USB-UART橋接電路。該電路的集成度高，內置USB2.0全速功能控制器、USB收發(fā)器、晶體振蕩器、EEPROM及異步串行數據總線(xiàn)（UART），支持調制解調器全功能信號，無(wú)需任何外部的USB器件。功能強大，采用MLP-28封裝，尺寸僅為5mm5mm，占用空間非常小。

與其他USB-UART轉接電路的工作原理類(lèi)似，CP2101通過(guò)驅動(dòng)程序將PC的USB口虛擬成COM口以達到擴展的目的。虛擬COM口（VCP）的器件驅動(dòng)程序允許一個(gè)基于CP2101的器件以PC應用軟件的形式作為一個(gè)增加的COM口獨立于任何現有的硬件。COM口使用運行在PC上的應用軟件以訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)標準硬件COM口的方式訪(fǎng)問(wèn)基于CP2101的器件，PC與CP2101間的數據傳輸是通過(guò)USB完成的，因此，無(wú)需修改現有的軟件和硬件就可以通過(guò)USB向基于CP2101的器件傳輸數據。

1 CP2101的特性

CP2101的體積雖小但功能非常強大，其主要特性如下：

內含USB收發(fā)器，無(wú)需外接電路器；

內含時(shí)鐘電路，無(wú)需外接振蕩器；

其內部512字節的EEPROM可用于存儲產(chǎn)品生產(chǎn)商的ID、產(chǎn)品的ID序列號、電源參數、器件版本號和產(chǎn)品說(shuō)明；

內含上電復位電路；

片內電壓調節可輸出3.3V電壓；

符合USB2.0規范的要求（12Mb/s）；

SUSPEND引腳支持USB狀態(tài)掛起；

異步串行數據總線(xiàn)（UART）兼容所有握手和調制解調器接口信號；

支持的數據格式為數據位8、停止位1、2和校驗位（包括奇校驗、偶校驗和無(wú)校驗）；

波特率范圍為300b/s～921.6kb/s；

內含512字節接收緩沖器和512字節發(fā)送緩沖器；

支持硬件或X-On/X-Off握手；

支持事件狀態(tài)。

圖1

此外，通過(guò)廠(chǎng)商及銷(xiāo)售商免費提供的、適用于Windows(含Windows CE)、Linux、Mac OS-X等多個(gè)操作系統的驅動(dòng)程序，可省去CP2101系列器件二次開(kāi)發(fā)的投入。這樣，在一般情況下，焊接完畢并安裝好驅動(dòng)程序即可使用。

2 工作原理

CP2101的內部結構及外部基本連接電路如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，用CP2101進(jìn)行串口擴展所需的外部器件非常少，僅需3只去耦電容器即可，使用起來(lái)非常方便。

2．1 USB功能控制器和收發(fā)器

CP2101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CP2101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)，CP2101將進(jìn)入掛起模式。在進(jìn)入掛起模式時(shí)，CP2101會(huì )發(fā)出SUSPEND和SUSPEND信號，同時(shí)，在CP2101復位后，CP2101也會(huì )發(fā)出該信號直到USB要求的器件配置完成。CP2101的掛起模式會(huì )在下述任何一種情況出現時(shí)被取消：

（1）檢測到繼續信號或產(chǎn)生繼續信號時(shí)；

（2）檢測到一個(gè)USB復位信號；

（3）器件復位。

在退出掛起模式時(shí)SUSPEND和SUSPEND信號被取消。

需要注意的是SUSPEND和SUSPEND和CP2101復位期間會(huì )暫時(shí)處于高電平，如果要避免這種情況，可以使用一個(gè)大的下拉電阻器（10kΩ）來(lái)確保SUSPEND在復位期間處于低電平。

2．3 異步串行數據總線(xiàn)（UART）接口

CP2101的UART接口包括TX發(fā)送、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，還可以通過(guò)編程使UART支持各種數據格式和波特率。UART的數據格式和波特率編程可在PC上進(jìn)行。表1所列是CP2101串行總線(xiàn)的數據格式和波特率。

表1 CP2101串行總線(xiàn)的數據格式和波特率

這里還需注意的是，CP2101異步串行數據總線(xiàn)的數據位和停止位是固定的，也就是說(shuō)，在實(shí)際使用中可以通過(guò)軟件改變校驗位和波特率，但是，改變數據位和停止位會(huì )在通訊中出現異?，F象。

2．3 內部EEPROM

CP2101內部集成了一個(gè)EEPROM，可用于存儲由設備原始制造商定義的USB供應商的ID、產(chǎn)品的ID說(shuō)明、電源參數、器件版本號和器件序列號等信號。USB配置數據的定義是可選的。如果EEPROM沒(méi)有被OEM的數據占用,則采用默認方式配置數據。注意，盡管如此，對于可能使用多個(gè)基于CP2101的器件連接到同一個(gè)PC的OEM應用來(lái)說(shuō)，它們需要一個(gè)專(zhuān)一的序列號。

內部EEPROM可通過(guò)USB進(jìn)行編程，以便OEM的USB配置數據和序列號可以在制造和測試時(shí)直接寫(xiě)入到系統上的CP2101中。Silicon公司提供一種專(zhuān)門(mén)為CP2101內部EEPROM進(jìn)行編程的工具，同時(shí)還提供一個(gè)Windows DLL格式的程序庫。該程序庫可在制造過(guò)程中將EEPROM編程步驟集成到OEM中，以便用自定義軟件進(jìn)行流水線(xiàn)式測試和序列號的管理。EEPROM的寫(xiě)壽命典型值為100,000次，數據保持時(shí)間為100年。

3 應用實(shí)例

CP2101的實(shí)際應用參考電路如圖2所示。該電路經(jīng)過(guò)制板和調試，證明是完全可行的。

圖2

（1）以上電路支持全功能串行通信應用。為了確保數據收發(fā)的穩定性，避免通信過(guò)程中的干擾，還可以在USB接口端添加濾波電路。

（2）電路中采用的多通道RS-232收發(fā)器是Maxim公司的MAX241系列或MAX223等系列電路（詳情請參看MAXIM公司RS-232收發(fā)器數據手冊），該系列支持在掛起狀態(tài)（當CP2101進(jìn)入掛起狀態(tài)時(shí)，SUSPEND引腳變?yōu)楦唠娖?，從而使RS-232收發(fā)器亦進(jìn)入掛起狀態(tài)），保持接收外界數據有效。在 在使用電路時(shí)，需要注意EN引腳及SHDN引腳的正確連接。

在很多簡(jiǎn)單的串行通信中，僅使用TXD/RXD二個(gè)引腳的信號，在這種情況下可以使用通道數更少，封超更小的RS-232收發(fā)器。

（3）CP2101的底部有大片金屬，在芯片內部接地。因此在制板時(shí)一定要保證沒(méi)有非接地通孔在CP2101的中間通過(guò)，或者保證通孔不與其發(fā)生短路。為了保證電路工作的可靠性，建議不要在CP2101焊接面板層的中間部分進(jìn)行布線(xiàn)。

（4）CP2101的UART總線(xiàn)上的信號能夠被單片機等直接識別，因此應根據具體應用要求決定是否需要進(jìn)行電平轉換。

4 結束語(yǔ)

CP2101是一款功能強大的USB-UART橋接電路，5mm5mm的外型使其占用空間非常小，用它將USB口擴展成串口非常簡(jiǎn)單易行。同時(shí)由于其內部存儲產(chǎn)品的ID等信息的寄存器可以直接通過(guò)USB口改寫(xiě)，因此用其開(kāi)發(fā)相關(guān)產(chǎn)品還有省時(shí)省力的優(yōu)點(diǎn)。唯一遺憾的是，由于UART本身的限制，其最大波行率只能達到921600b/s，不能發(fā)揮USB2.0并沒(méi)有多大的意義。目前，CP2101的升級產(chǎn)品CP2102已經(jīng)面市。