計(jì)算機(jī)接口結(jié)課論文-USB轉(zhuǎn)RS232電路設(shè)計(jì)

1、USB轉(zhuǎn)RS232電路設(shè)計(jì)1.USB 與 RS232概述USB概述USB，是英文Universal Serial Bus （通用串行總線）的縮寫(xiě)，是一個(gè)外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用 于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊。是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)。USB接口支持設(shè)備的即插即用和熱插拔功能。 USB是在1994年底由英特爾、康柏、IBM、Microsoft等多家公司 聯(lián)合提出的。USB插口通常由四個(gè)引腳組成，其中兩個(gè)電源引腳，兩個(gè)信號(hào)引腳，如圖1.1。為了區(qū)別四根線，通常會(huì)用不同顏色標(biāo)注各個(gè)引腳，如圖1.2。圖1.1 USB引腳示意圖引腳編號(hào)信號(hào)名稱(chēng)纜線顏色1Vcc紅2Rata-(D-)門(mén)3Data+(D+)綠

2、4Groundf * M圖1.2引腳顏色從USB設(shè)備連回USB主機(jī)，稱(chēng)為上行連接；從 USB主機(jī)到設(shè)備的連接則稱(chēng)為下行連 接。為了防止回環(huán)情況的發(fā)生，上行和下行端口使用不同的連接器，A型連接頭和B型連接頭，如圖1.3。其中，A型連接頭用于上行連接，即在主機(jī)或集線器上有一個(gè)A型插座，USB設(shè)備上則是B型插座。采用這種連接方式，可以確保USB設(shè)備、主機(jī)/集線器和USB電纜始終以正確的方式連接，而不出現(xiàn)電纜接入方式出錯(cuò)，或者直接將兩個(gè)USB設(shè)備連接到一起的情況。A型逹接頭B型連接頭圖1.3連接形式USB的特點(diǎn)主要有：使用簡(jiǎn)單所用USB系統(tǒng)的接口一致，連線簡(jiǎn)單。系統(tǒng)可對(duì)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和配置，支持熱插

3、 拔。新添加設(shè)備系統(tǒng)不需要重新啟動(dòng)。應(yīng)用范圍廣USB系統(tǒng)數(shù)據(jù)報(bào)文附加信息少，帶寬利用率高，可同時(shí)支持同步傳輸和異步傳輸兩種傳輸方式。一個(gè) USB系統(tǒng)最多可支持127個(gè)物理設(shè)備。USB設(shè)備的帶寬可從幾 Kbps到幾 Mbps甚至到幾百兆。一個(gè) USB系統(tǒng)可同時(shí)支持不同速率的設(shè)備，如低速的鍵盤(pán)、鼠標(biāo)，全 速的ISDN、語(yǔ)音，高速的磁盤(pán)、圖像等 (僅USB2.0版本支持高速設(shè)備)。較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力USB系統(tǒng)可實(shí)時(shí)地管理設(shè)備插拔。在USB協(xié)議中包含了傳輸錯(cuò)誤管理、錯(cuò)誤恢復(fù)等功能，同時(shí)根據(jù)不同的傳輸類(lèi)型來(lái)處理傳輸錯(cuò)誤?？偩€供電USB總線可為連接在其上的設(shè)備提供5V電壓/100mA電流的供電，最大可提供50

4、0mA的電流。USB設(shè)備也可采用自供電方式。低成本USB接口電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，特別是低速設(shè)備。USB系統(tǒng)接口 /電纜也比較簡(jiǎn)單，成本比串口 /并口低。RS232 概述個(gè)人計(jì)算機(jī)上的通訊接口之一， 由電子工業(yè)協(xié)會(huì)(Electronic Industries Association ，EIA) 所制定的異步傳輸標(biāo)準(zhǔn)接口。 通常RS-232接口以9個(gè)引腳(DB-9)或是25個(gè)引腳(DB-25) 的型態(tài)出現(xiàn)，一般個(gè)人計(jì)算機(jī)上會(huì)有兩組RS-232接口，分別稱(chēng)為 COM1和COM2。RS-232-C是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì) EIA (Electronic Industry Association )制定的一種

5、串行物 理接口標(biāo)準(zhǔn)。RS是英文 推薦標(biāo)準(zhǔn)”的縮寫(xiě)，232為標(biāo)識(shí)號(hào)，C表示修改次數(shù)。RS-232-C總 線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有25條信號(hào)線，包括一個(gè)主通道和一個(gè)輔助通道。在多數(shù)情況下主要使用主通道，對(duì)于一般雙工通信，僅需幾條信號(hào)線就可實(shí)現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。RS-232-C 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400 波特。RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動(dòng)器允許有 2500pF的電容負(fù)載，通信距離將受此電容限制，例 如，采用150pF/m的通信電纜時(shí)，最大通信距離為 15m;若每米電纜的電容量減小，通信

6、距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號(hào)傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問(wèn)題，因此一般用于20m以?xún)?nèi)的通信。具體通訊距離還與通信速率有關(guān)，例如，在9600pbs時(shí)，普通雙絞屏蔽線時(shí)，距離可達(dá)30-35米。串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過(guò)使用和發(fā)展，目前已經(jīng)有幾種。但都是在RS-232標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)改進(jìn)而形成的。所以，以RS-232C為主來(lái)討論。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)EIA （電子工業(yè)聯(lián)合會(huì)）與BELL等公司一起開(kāi)發(fā)的1969年公布的通信協(xié)議。它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在020000b/s范圍內(nèi)的通信。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)串行通信接口的有關(guān)問(wèn)題，如信號(hào)線功能、電氣特性都作了明確規(guī)定。由于通信設(shè)備

7、廠商都生產(chǎn)與RS-232C制式兼容的通信設(shè)備，因此，它作為一種標(biāo)準(zhǔn)，目前已在微機(jī)通信接口中廣泛采用。首先，RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)最初是遠(yuǎn)程通信連接數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE（Data Terminal Equipment ）與數(shù)據(jù)通信設(shè)備 DCE （ Data Communicate Equipment ）而制定的。因此這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的制定，并 未考慮計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用要求。但目前它又廣泛地被借來(lái)用于計(jì)算機(jī)（更準(zhǔn)確的說(shuō)，是計(jì)算機(jī)接口與終端或外設(shè)之間的近端連接標(biāo)準(zhǔn)）。顯然，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的有些規(guī)定和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是不一致的。有了對(duì)這種背景的了解，我們對(duì)RS-232C標(biāo)準(zhǔn)與計(jì)算機(jī)不兼容的地方就不難理解了。其次，RS-232C

8、標(biāo)準(zhǔn)中所提到的 發(fā)送”和接收”都是站在DTE立場(chǎng)上，而不是站在 DCE的立場(chǎng)來(lái)定義的。由于在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，往往是 CPU和I/O設(shè)備之間傳送信息，兩者 都是DTE，因此雙方都能發(fā)送和接收。它的缺點(diǎn)主要有接口的信號(hào)電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因?yàn)榕cTTL電平不兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與TTL電路連接；（2）傳輸速率較低，在異步傳輸時(shí)，波特率為20Kbps;因此在CPLD開(kāi)發(fā)板中，綜合程序波特率只能采用19200,也是這個(gè)原因；（3）接口使用一根信號(hào)線和一根信號(hào)返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容 易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱；（4）傳輸距離有限，最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為50英

9、尺，實(shí)際上也只能用在15米左右?！?】USB與RS232的比較RS-232與USB都是串行通信，但是兩者在很多方面有諸多不同。RS-232是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，一個(gè)串口只能連接一個(gè)外設(shè)。RS-232的接口電路的信號(hào)電平較高，容易損壞接口電路的芯片，與TTL電路的電平也不兼容，影響其通用性。而USB是一種多點(diǎn)、高速的連接方式，采用集線器能實(shí)現(xiàn)更多的連接，而且供電較為 靈活?？偟膩?lái)說(shuō)，USB是一種方便、靈活、簡(jiǎn)單、高速的總線結(jié)構(gòu)。2 CH341T2.1 CH341T 概述CH341T是USB總線轉(zhuǎn)接芯片。 當(dāng)CH341T工作在異步串口模式時(shí)， CH341T提供串口 發(fā)送使能、串口接收就緒等交互式的速率控制

10、信號(hào)，用于為計(jì)算機(jī)擴(kuò)展異步串口， 或者將普通的串口設(shè)備直接升級(jí)到 USB總線。CH341T內(nèi)置了獨(dú)立的收發(fā)緩沖區(qū)，支持單工、半雙工或者全雙工異步串行通訊。串行數(shù)據(jù)包括1個(gè)低電平起始位、5到9個(gè)數(shù)據(jù)位、1或2個(gè)高電平停止位，支持奇校驗(yàn)/偶校驗(yàn)/標(biāo)志校驗(yàn)/空白校驗(yàn)。CH341T支持常用通訊波特率： 50、75、100、110、134.5、150、300、 600、 900、 1200、 1800、 2400、 3600、 4800、 9600、 14400、 19200、 28800、 33600、 38400、 56000、57600、76800、115200、128000、153600、230

11、400、460800、921600、1500000、2000000 等。串口發(fā)送信號(hào)的波特率誤差小于 0.3%，串口接收信號(hào)的允許波特率誤差不小于2%。在計(jì)算機(jī)端的 Windows操作系統(tǒng)下，CH341T的驅(qū)動(dòng)程序能夠仿真標(biāo)準(zhǔn)串口，所以絕大部分原串口應(yīng)用程序完全兼容，通常不需要作任何修改。除此之外，CH341T還支持以標(biāo)準(zhǔn)的串口通訊方式間接訪問(wèn) CH341T外掛的串行 EEPROM存儲(chǔ)器。CH341T可以用于升級(jí)原串口外圍設(shè)備，或者通過(guò) USB總線為計(jì)算機(jī)增加額外串口。通過(guò)外加電平轉(zhuǎn)換器件，可以進(jìn)一步提供 RS232、RS485、RS422 等接口。2.2引腳功能介紹異步串口方式下 CH341

12、T芯片的引腳包括：數(shù)據(jù)傳輸引腳、硬件速率控制引腳、 工作狀 態(tài)引腳、輔助引腳。 如圖2.1。c#u # L CN Ur c UU F- N D sA#c DPCJ s L uD D MXIG GTTP s圖2.1 CH341T引腳結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸引腳包括：TXD引腳和RXD引腳。串口空閑時(shí) TXD和RXD應(yīng)該為高電平。 硬件速率控制引腳包括：TEN#引腳和RDY#引腳。TEN#是串口發(fā)送使能，當(dāng)其為高電平時(shí)， CH341T將暫停從串口發(fā)送數(shù)據(jù)，直到TEN#為低電平才繼續(xù)發(fā)送。RDY#引腳是串口接收就緒，當(dāng)其為高電平時(shí)，說(shuō)明CH341T還未準(zhǔn)備好接收，暫時(shí)不能接收數(shù)據(jù)，有可能是芯片 正在復(fù)位、USB

13、尚未配置或者已經(jīng)取消配置、或者串口接收緩沖區(qū)已滿(mǎn)等。【2】工作狀態(tài)引腳包括： TNOW引腳和ROV#引腳。TNOW以高電平指示 CH341T正在從串口 發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送完成后為低電平，在半雙工串口方式下，TNOW可以用于指示串口收發(fā)切換狀態(tài)。ROV#以低電平指示 CH341T內(nèi)置的串口接收緩沖區(qū)即將或者已經(jīng)溢出，后面的數(shù) 據(jù)將有可能被丟棄，正常情況下接收緩沖區(qū)不會(huì)溢出，所以ROV#應(yīng)該為高電平。3 MAX2323.1 MAX232 概述MAX232芯片是美信（MAXIM ）公司專(zhuān)為 RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯 片，使用+5V單電源供電。MAX232是一種雙組驅(qū)動(dòng)器/接收器，片內(nèi)含

14、有一個(gè)電容性電壓 發(fā)生器以便在單5V電源供電時(shí)提供EIA/TIA-232-E電平?！?】它的主要特點(diǎn)有符合所有的RS-232C技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；只需要單一+5V電源供電；片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力，能夠產(chǎn)生+10V和-10V電壓V+、V-;功耗低，典型供電設(shè)計(jì)USB轉(zhuǎn)RS232串口的硬件連接圖如圖4.1所示。電流5mA ;內(nèi)部集成2個(gè)RS-232C驅(qū)動(dòng)器；高集成度，片外最低只需4個(gè)電容即可工作;內(nèi)部集成兩個(gè)RS-232C接收器。3.2 MAX232引腳功能介紹MAX232的引腳結(jié)構(gòu)如圖 3.1。rjvif.ru0V._f7C1+ 1伽 |_5_v-TT?ui 叵M閃XI AlMAX22i)V

15、cc1師J4T5;R加TFUCUK .滋TDIP/SOCWCrTAICE tuF)MH 5STTMAX22D_二川：上： 忑 -K 阪開(kāi)職2321J0M1M辺MAX2 妙0.111G!ItCl!TTLCWOOJIPUTSJiadrams x賂L打訃閃 in th# full datrwt:苜-Y-VOLTASEKtaERJ0VTD-1WV-WUA&EHVSTTERE 仙f：,RS-22 UWTS亠2Jtwv圖3.1 MAX232的引腳結(jié)構(gòu)第一部分是電荷泵電路。由1-6引腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生 +12v和-12v兩個(gè)電源，提供給RS-232串口電平的需要。第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7-14

16、引腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。其中13腳（R1IN ）、12腳（R1OUT）、11 腳（T1IN ）、14 腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。8 腳（R2IN ）、9 腳（R2OUT ）、 10腳（T2IN ）、7腳（T2OUT ）為第二數(shù)據(jù)通道。 TTL/CMOS數(shù)據(jù)從11引腳（T1IN ）、 10引腳（T2IN ）輸入轉(zhuǎn)換成 RS-232數(shù)據(jù)從14腳（T1OUT ）、7腳（T2OUT ）送到電腦DB9 插頭；DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從13引腳（R1IN）、8引腳（R2IN ）輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS 數(shù)據(jù)后從12引腳（R1OUT ）、9引腳（R2OUT ）輸出。第三部分是供電。15腳GND、1

17、6腳VCC（ +5V ）。4硬件電路0.1 pF12T/Jr12JG 4 700 pF 6vccV(m(II TGKDGXDID-or pFMAX2?210XRXD TXDTERvcc卜OV*C2-RI0RI1niTKISbrt=LL_140000rty圖4.1 USB轉(zhuǎn)RS232硬件電路圖該硬件系統(tǒng)由 4部分組成：USB接口、CH341T、MAX232和RS232接口。其中，USB 接口用于連接USB主機(jī)，在此選用 USB總線接口的A型連接頭；CH34仃 用于完成USB 接口轉(zhuǎn)RS232接口的所有硬件功能；MAX232用于完成 RS232與TLL/CMOS 的電平轉(zhuǎn)換；RS232接口用于連接

18、RS232設(shè)備。根據(jù)實(shí)際需要，選擇目前廣泛應(yīng)用的DB9連接器?！?】USB總線包括一對(duì)5V電源線和一對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)線。 通常，+5V電源線為紅色；接地線為黑色； D+信號(hào)線為綠色；D-信號(hào)線為白色。USB總線提供的電源電流最大可以達(dá)到500 mA，CH341T芯片可以直接使用 USB總線提供的5V電源。C3和C4是高頻瓷片電容，C3容量 一般為4700pF0.02 用于CH341T內(nèi)部電源節(jié)點(diǎn)的退耦；C4容量為0.1譏 用于外部電源的退耦。晶振X1、電容C1和C2用于時(shí)鐘振蕩電路。X1的頻率是12 MHz , C1和C2 是容量為1530 pF的高頻瓷片電容。MAX232提供電平轉(zhuǎn)換。5電路測(cè)試連

19、接USB-RS232轉(zhuǎn)換卡的計(jì)算機(jī)，必須安裝 CH341T的驅(qū)動(dòng)程序 CH341SER.EXE，當(dāng)模塊首次連接到計(jì)算機(jī)的USB端口時(shí)，計(jì)算機(jī)提示找到新硬件，按照提示完成驅(qū)動(dòng)程序的安裝?！?】安裝完驅(qū)動(dòng)程序后，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)的 USB接口提供仿真串口。在邏輯功能方面， 使用方法與普通計(jì)算機(jī)串口完全相同，支持大多數(shù)常用的串口監(jiān)控及調(diào)試工具程序，應(yīng)用程序可以不做任何修改，可以像存取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的物理串口一樣訪問(wèn)這個(gè)虛擬串口，在保持軟硬件兼容的前提下，將原串口產(chǎn)品轉(zhuǎn)換為USB接口。圖5.1就是利用 串口調(diào)試助手”軟件對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行通訊測(cè)試的結(jié)果如所示。測(cè)試過(guò)程中，轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)連接后虛擬端口為COM3，利用

20、RS232標(biāo)準(zhǔn)線纜將轉(zhuǎn)換器與另一臺(tái)計(jì)算機(jī)的COM1端口相連。【8】通訊采用的波特率為 9600,8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)校驗(yàn)位，2 個(gè)端口每隔1000 ms自動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)。由圖3可見(jiàn)，該轉(zhuǎn)換器能夠在不同計(jì)算機(jī)的USB/RS232端口間進(jìn)行可靠通訊。此外，采用2個(gè)轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)不同計(jì)算機(jī)間的USB通訊，經(jīng)測(cè)試工作可靠。做好的實(shí)物如圖 5.2所示。1 L 71ft,-檢L顯累+ A i*ltiK KJUi爲(wèi)總片動(dòng)賣(mài)E供出U 育出鳴口和f r +Ait* t. 7 t!4IF1t rrtflUpijir 礴護(hù) 久臨忙皿上丄ig id R-&Z1Z 10IQHOT ID 昭？c m 刖愆TOR12C

21、10R5PXJ10 呼 Z0T 口 R2E 10 臟TO in 昭岀S TO 叭刃2 IQRi?K 10 口勺總4 10 nu is10R$212 TO n注10 ASS IQ = iZJi TO AI2 10 冃電 mgK IDit KI，二 m - - F F - - 4 tq二：勻 tl-u劃期II粘IJ釗切則期則 :E:tH_E2E-F uil劃u-utj4lj-uet b-?種穴s-irt.r圖5.1通訊測(cè)試結(jié)果圖5.2實(shí)物圖6總結(jié)CH341T作為一種新型的、功能強(qiáng)大的USB接口轉(zhuǎn)換芯片，可以工作在多種模式，且接線簡(jiǎn)單、控制方便、使用靈活，可滿(mǎn)足用戶(hù)的多種需求?！?】由于CH341T屏蔽了 USB接 口的底層協(xié)議，可以方便地在嵌入式系統(tǒng)中增加USB接口，無(wú)需電平轉(zhuǎn)換器件，在驅(qū)動(dòng)程序的控制下直接與 PC機(jī)通訊，極大地方便了用戶(hù)，縮短開(kāi)發(fā)周期、減少研發(fā)費(fèi)用。參考文獻(xiàn)邊海龍.USB2.0設(shè)備的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)M.北京:人民郵電出版社，2004, 1-3.Inc ,P.T.PL2