USB RS-232轉(zhuǎn)換卡設(shè)計

與RS 232總線的數(shù)據(jù)傳輸速率相比，USB的傳輸速率高達(dá)480 Mb/s，因此很多計算機(jī)的RS 232串行接口都被USB接口所替換，但是很多儀器儀表、控制終端、遠(yuǎn)程終端等設(shè)備的接口還是沿用RS 232。為解決兩個接口之間的轉(zhuǎn)換，設(shè)計并研制了USB-RS 232接口轉(zhuǎn)換卡。從USB和RS 232通信協(xié)議出發(fā)，詳細(xì)介紹USB-RS 232轉(zhuǎn)換卡的設(shè)計原理，并以CH341T芯片為例，設(shè)計并制作了USB-RS 232轉(zhuǎn)換卡。利用研制的USB-RS 232轉(zhuǎn)換卡連接具有RS 232接口的溫濕度傳感器，在運(yùn)行監(jiān)控程序后，傳感器運(yùn)行穩(wěn)定，能正確顯示溫濕度數(shù)據(jù)，且表明該轉(zhuǎn)換卡可成功地實(shí)現(xiàn)RS 232接口與USB接口的轉(zhuǎn)換。

　　1 USB-RS 232轉(zhuǎn)換卡的組成及其工作原理

　　1.1 組成

　　USB-RS 232轉(zhuǎn)換卡的設(shè)計原理框圖如圖1所示，由USB接口模塊、UART接口模塊、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和協(xié)議控制單元組成。各部分功能如下：

　　USB接口模塊 主要提供與USB總線的連接，它需要實(shí)現(xiàn)一般USB設(shè)備接口的所有功能，以實(shí)現(xiàn)與USB主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。

　　UART接口模塊 實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的RS 232接口的所有功能，以實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)RS 232接口的連接。

　　協(xié)議控制單元 通過接收USB接口的命令，對UART接口進(jìn)行配置(如配置通信波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位、數(shù)據(jù)量控制信號等)。

　　數(shù)據(jù)緩沖區(qū) 用來臨時保存雙方數(shù)據(jù)傳輸過程中的數(shù)據(jù)。

　　1.2 工作原理

　　下面以計算機(jī)與外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸為例，介紹USB-RS 232轉(zhuǎn)換卡的工作原理：

　　當(dāng)USB-RS 232轉(zhuǎn)換卡連接到USB總線上時，計算機(jī)檢測到設(shè)備的連接后對設(shè)備進(jìn)行初始化配置并啟動相關(guān)的客戶驅(qū)動程序;驅(qū)動程序給設(shè)備發(fā)送配置命令以設(shè)置RS 232接口的數(shù)據(jù)傳輸特性;最后，在數(shù)據(jù)傳輸時，計算機(jī)上的驅(qū)動程序首先將數(shù)據(jù)包傳輸給USB接口，USB接口讀出實(shí)際的有效數(shù)據(jù)并保存在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，UART接口則從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中將數(shù)據(jù)取走并發(fā)送給設(shè)備。

　　2 USB-RS 232轉(zhuǎn)換卡的設(shè)計

　　2.1 協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計

　　根據(jù)原理框圖，選擇恰當(dāng)?shù)膮f(xié)議轉(zhuǎn)換模塊是設(shè)計該卡的關(guān)鍵。設(shè)計轉(zhuǎn)換卡的方法有好幾種：一種方法是采用通用的USB控制器，利用其內(nèi)置的通用異步收發(fā)器(UART)在USB與RS 232之間進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，例如EZ-USB，PIC16C745，CY7C63001等，若沒有內(nèi)置UART，也可以利用通用I/O接口模擬RS 232的收發(fā)過程;另外還可以采用單獨(dú)的USB接口收發(fā)器芯片，如ISP1581，PDI-USBD11/12等，但這種方法需要另配微控制器才能工作;第三種就是采用專用的USB與RS 232轉(zhuǎn)換芯片，如CH341芯片，這種芯片的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的協(xié)議轉(zhuǎn)換工作全部由芯片獨(dú)立完成，無需干預(yù)，也不用編寫芯片的固件。本文采用CH341的簡裝版CH341T來設(shè)計USB-RS 232轉(zhuǎn)換卡。圖2是一個利用CH341T和MAX232進(jìn)行USB接口設(shè)計的硬件框圖。如圖所示，該硬件系統(tǒng)由4部分組成：USB接口、CH341T、MAX232和RS 232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;CH341T用于完成USB接口轉(zhuǎn)RS 232接口的所有硬件功能;MAX232用于完成RS 232與TLL/CMOS的電平轉(zhuǎn)換;RS 232接口用于連接RS 232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。

　　2.2 硬件電路設(shè)計

　　設(shè)計USB轉(zhuǎn)RS 232串口的硬件連接圖如圖3所示。USB總線包括一對5 V電源線和一對數(shù)據(jù)信號線。通常，+5 V電源線為紅色;接地線為黑色;D+信號線為綠色;D-信號線為白色。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5 V電源。C3和C4是高頻瓷片電容，C3容量一般為4 700 pF～0.02 μF，用于CH341T內(nèi)部電源節(jié)點(diǎn)的退耦;G容量為0.1μF，用于外部電源的退耦。晶振X1、電容C1和C2用于時鐘振蕩電路。X1的頻率是12 MHz，C1和C2是容量為15～30 pF的高頻瓷片電容。MAX232提供電平轉(zhuǎn)換。

　　2.3 驅(qū)動程序

　　連接USB-RS 232轉(zhuǎn)換卡的計算機(jī)，必須安裝CH341T的驅(qū)動程序CH341SER.EXE，當(dāng)模塊首次連接到計算機(jī)的USB端口時，計算機(jī)提示找到新硬件，按照提示完成驅(qū)動程序的安裝。

　　安裝完驅(qū)動程序后，可以通過計算機(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，可以像存取一個標(biāo)準(zhǔn)的物理串口一樣訪問這個虛擬串口，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。