USB-RS 232轉(zhuǎn)換卡的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：與RS 232總線的數(shù)據(jù)傳輸速率相比，USB的傳輸速率高達480 Mb／s，因此很多計算機的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，在運行監(jiān)控程序后，傳感器運行穩(wěn)定，能正確顯示溫濕度數(shù)據(jù)，且表明該轉(zhuǎn)換卡可成功地實現(xiàn)RS 232接口與USB接口的轉(zhuǎn)換。
關(guān)鍵詞：USB；RS 232；CH341T；MAX232；接口轉(zhuǎn)換

    RS 232自1969年由美國電氣工業(yè)協(xié)會(EIA)推薦以來，由于接口和通信協(xié)議比較簡單，因而在計算機串行通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，開發(fā)出了大量的以RS 232為接口的各類產(chǎn)品。但隨著USB總線規(guī)范的推出，使得外設(shè)到計算機的連接更加高效、便利，功率不大的外圍設(shè)備可以直接通過USB數(shù)據(jù)線供電，而不必外接電源。USB總線最大可以提供5 V／500 mA電流，并提供節(jié)約能源的掛機和喚醒模式。此外，由于USB用于上行和下行連接頭的機械特性不同，還可以防止非法連接。根據(jù)USB協(xié)議，理論上最多可以同時將127個外設(shè)連接在同一臺計算機上。同時基于USB的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，可使采集系統(tǒng)與計算機之間的數(shù)據(jù)交換具備廣泛的適用性。USB是目前計算機的標(biāo)準(zhǔn)配置，采用此方案可以使用任何一臺計算機進行數(shù)據(jù)通信。但是目前仍然有許多使用RS 232串行接口的控制設(shè)備、儀器儀表、遠程終端等運行在諸多應(yīng)用領(lǐng)域中，立即將其改造為USB方式顯然存在成本及實施方面的問題。為適應(yīng)USB廣泛流行的現(xiàn)實，有必要開發(fā)USB-RS 232接口轉(zhuǎn)換卡，在它的支持下，這些傳統(tǒng)的設(shè)備無須改造，即可通過其原有的RS 232接口與USB總線接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

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，它需要實現(xiàn)一般USB設(shè)備接口的所有功能，以實現(xiàn)與USB主機的數(shù)據(jù)傳輸。
    UART接口模塊  實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的RS 232接口的所有功能，以實現(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接口進行配置(如配置通信波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位、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，計算機檢測到設(shè)備的連接后對設(shè)備進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，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，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的USB端口時，計算機提示找到新硬件，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。

3 板卡性能測試方法及其結(jié)果
3．1 設(shè)備驅(qū)動層通信功能測試
    USB-RS 232轉(zhuǎn)換卡的性能需要借助可靠的工具來進行測試。利用CH341芯片制造商提供的USB測試程序進行調(diào)試，點擊搜索CH341串口，出現(xiàn)CH341的串口號為“COM3”的字樣(因為目前電腦上已經(jīng)有兩個串口)，這說明USB-RS 232設(shè)備已經(jīng)成功連接到計算機上。
3．2 應(yīng)用層通信功能測試
    本文利用具有RS 232接口的網(wǎng)絡(luò)型溫濕度傳感器來進行測試，該傳感器通過本文研制的USB-RS 232轉(zhuǎn)換卡連接，該卡一端接傳感器，一端接計算機。在圖4下設(shè)置串口的端口號以及幀格式，保證傳感器與計算機的協(xié)議設(shè)置是一致的。設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后，把傳感器接到轉(zhuǎn)換卡上，運行傳感器測試程序后出現(xiàn)如圖5的畫面，經(jīng)長時間拷機后傳感器工作正常，這說明RS 232接口的外設(shè)(溫濕度傳感器)經(jīng)過USB-RS 232轉(zhuǎn)換卡可以在USB接口上使用，也說明該轉(zhuǎn)換卡實現(xiàn)了RS 232協(xié)議到USB協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

4 使用和調(diào)試中的關(guān)鍵問題
4．1 操作系統(tǒng)識剮不到轉(zhuǎn)換卡
     USB-RS 232轉(zhuǎn)換卡是即插即用的USB設(shè)備，正在使用轉(zhuǎn)換卡進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，不可以將其物理斷開，必須在應(yīng)用程序關(guān)閉該串口后，轉(zhuǎn)換卡才可以從USB插座中拔出。如果在應(yīng)用程序使用轉(zhuǎn)換卡的過程中，轉(zhuǎn)換卡從USB插座中斷開，那么應(yīng)用程序應(yīng)該盡快關(guān)閉轉(zhuǎn)換卡并退出(關(guān)閉及退出可能需要數(shù)秒時間)。如果在轉(zhuǎn)換卡通信過程中發(fā)生錯誤，極有可能是轉(zhuǎn)換卡已經(jīng)物理斷開，所以在檢測到錯誤后建議關(guān)閉轉(zhuǎn)換卡，稍等2 s后再重新打開串口通信。采用設(shè)備事件通知的方法可以及時了解轉(zhuǎn)換卡的連接與斷開，從而使串口應(yīng)用程序能夠及時打開和關(guān)閉轉(zhuǎn)換卡。
4．2 傳輸數(shù)據(jù)丟失
    如果通信波特率較高，建議設(shè)置較大的緩沖區(qū)，尤其在windows 98／ME下，線程調(diào)度能力和USB實時性都比Windows 2000／XP差，如果串口接收緩沖區(qū)較小，那么在通信波特率較高時，接收大量數(shù)據(jù)會導(dǎo)致串口緩沖區(qū)溢出而丟棄數(shù)據(jù)。由于底層的USB是將多個字節(jié)組成數(shù)據(jù)包后安插到各個1 ms幀中進行傳輸?shù)模杂锌赡軐⒋谑瞻l(fā)的相鄰的兩個字節(jié)實際分割在兩個USB數(shù)據(jù)包，甚至兩個USB幀中，在最壞情況下這兩個字節(jié)在時間上有可能相隔1 ms甚至2 ms。

5 結(jié)語
    本文詳細介紹了USB-RS 232轉(zhuǎn)換卡的設(shè)計原理，成功設(shè)計了以CH341T為例的USB-RS 232轉(zhuǎn)換卡。經(jīng)過調(diào)試和試用，轉(zhuǎn)換卡運行正常，成功實現(xiàn)了RS 232接口設(shè)備與USB總線的數(shù)據(jù)傳輸。轉(zhuǎn)換卡體積小，成本低。使用方便，性能可靠，傳統(tǒng)的RS 232串口設(shè)備無需做任何改動即可通過USB口使用。該轉(zhuǎn)換卡順應(yīng)市場需要，可以廣泛應(yīng)用在日常生活與生產(chǎn)實踐中，如：筆記本電腦(大多數(shù)新一代筆記本電腦往往沒有RS232的9針串口，卻有4個USB口)、Modem、數(shù)碼相機、條碼掃描器、刷卡器、磁卡讀寫器、手機傳輸線、掌上電腦、標(biāo)簽打印機、POS系統(tǒng)、工業(yè)自動化控制機械、安全門禁系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集器等。通過USB-RS 232轉(zhuǎn)換卡，這些設(shè)備都能在RS 232串口和USB口之間非常容易地建立可靠的連接，通過利用USB接口即插即用和熱插拔的能力給這些RS 232串口設(shè)備提供非常容易使用的環(huán)境，并大大提高傳輸速率。