USB、RS232/RS422接口轉換電路的設計

1 方案選擇
目前市場上的關于USB橋接芯片有多種類型，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(wěn)定，并且驅動支持最好，焊接起來相對也比較容易，但其價格稍貴且外圍電路比較復雜；美國Silicon公司的CP2102系列性能價錢介于兩者之間，電路最簡單，體積小，可實現單片獨立工作而無須外部元件。綜合考慮，文中選用CP2102系列進行電路轉換。

2 CP2102介紹
CP2102是一種高度集成的USB轉UART橋接器，提供一個使用最小化的元件和PCB空間實現RS232轉USB的簡便的解決方案。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，下面作簡單的介紹。

CP2102中的USB功能控制器是一個符合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。當在總線上檢測到掛起信號時，CP2102將進入掛起模式。在進入掛起模式時，CP2102會發(fā)出SUSPEND和信號。同時，在CP2102復位后，CP2102也會發(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EEPROM，用于存儲由設備制造商定義的USB供應商ID、產品ID、產品說明、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USB編程設置的，允許OEM的USB配置數據和序列號可以在出廠和測試時直接寫入系統(tǒng)板上的CP2102。Cygnal提供了一個專CP2102的內部EEPROM編程設置工具，同時還提供免費的驅動Windows DLL格式的程序庫。這個程序庫可將EEPROM編程步驟集成到OEM在制造中進行流水線式測試和序列號的管理的自定義軟件中。EEPROM的寫壽命的典型值為100 000次，數據保持時間為100年。為了防止更改USB描述符，應將其鎖定。

CP2101是一個可以由USB總線驅動的器件電源由USB的VBUS信號提供。它包括一個用于實現此功能的片內5 V轉3V電壓調節(jié)器。電壓調節(jié)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的1A集成穩(wěn)壓電路LM2575-ADJ系列，實現28 V到5 V電源的轉換。它內部集成了一個固定的振蕩器，只須極少外圍器件便可構成一種高效的穩(wěn)壓電路。
轉換電路原理圖如圖2所示。該電路能可靠的實現USB接口、UART接口、RS232接口及RS422總線接口之間的轉換。

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201973.htm

電路中CP2102完成USB接口功能，電源來自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4.7kΩ的電阻，為了確保數據收發(fā)的穩(wěn)定性，避免通信過程中的干擾，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門為電腦的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RS-232C驅動器，功耗低，且高集成度，片外最低只需4個電容即可工作。
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，具有一個驅動器和一個接收器，驅動器擺率不受限制，可以實現最高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的接收端并聯一個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總線后，首先必須根據操作系統(tǒng)安裝相對應的CP2102 USB驅動程序。用戶可以用內部EEPROM編程設置工具對CP2102中的EEPROM進行設置，寫入用戶自定義的廠商ID、產品ID、序列號、用戶描述字符等數據。
如果驅動程序安裝成功，USB接口轉換器將向Windows操作系統(tǒng)暴露一個虛擬的串行接口COMX (X隨計算機的配置而異)，該工作由Silicon公司提供的USB驅動程序完成。這個虛擬的串行接口與真實的串行接口的工作方式完全一樣，在用戶的應用程序中可以像控制傳統(tǒng)串行接口一樣使用這個虛擬串口。因此，無需修改傳統(tǒng)的通過RS232／RS422接口工作控制軟件程序，就可通過USB接口轉換器傳輸數據。本質上所有針對虛擬串口的數據通信都是以USB總線傳輸來完成的，但在設備一方，收發(fā)的是RS232／RS422數據。

5 結束語
文中以CP2102為核心，設計的轉換電路能方便的實現USB、RS232及RS422總線的轉換，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格低廉、簡單實用，而且性能可靠，能滿足大多數的應用場合，有較大的實用價值。