USB到多路RS422轉(zhuǎn)換器的電路實現(xiàn)

摘要：當USB接口與多個RS422設備進行通信時，由于PC機的USB接口數(shù)量有限，這種情況給用戶帶來極大的不便。為了解決這個問題，采用FTDI公司的F4232H芯片，結(jié)合USB總線供電結(jié)構，通過簡單的外圍電路設計出一路USB轉(zhuǎn)4路RS422的轉(zhuǎn)換器。經(jīng)過測試和實踐結(jié)果表明，這種方案具有優(yōu)良的性能和很強的實用價值。
關鍵詞：USB；RS422；FT4232H；轉(zhuǎn)換器

    隨著社會的發(fā)展，USB通用串行總線憑借其傳輸速度快、接口靈活、支持熱插熱拔以及具有很強的擴展性等特點在計算機接口以及終端電子產(chǎn)品中占據(jù)著主導地位，USB接口有逐漸取代其他標準接口的趨勢。然而工業(yè)以及民用大量采用RS422傳輸數(shù)據(jù)的設備裝置，RS422采用雙平衡差分信號傳輸，所有傳輸距離最大可以達到1 200 m，這給工業(yè)用途帶來了極大的便利，不足之處在于傳輸速度慢，這給很多傳統(tǒng)的以RS422為通信接口的外圍設備面臨著巨大的考驗。而USB卻能彌補這些缺點，因此，結(jié)合USB的總線結(jié)構設計RS422與USB接口的轉(zhuǎn)換器勢在必行。
    然而，一般計算機提供的串行接口有限，當串行設備數(shù)量增加時，端口的短缺問題將給用戶帶來極大的不便，針對這種情況，本文結(jié)合實際項目，利用FTDI公司的FT4232H芯片，通過簡單的外圍電路來設計一路USB轉(zhuǎn)4路RS422的轉(zhuǎn)換器。

1 總體設計方案
    本設計開始時有兩種方案可供選擇：1)在USB前端利用USB HUB芯片，先把單路USB轉(zhuǎn)換成四路USB信號，再通過USB到RS422單路轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)：2)直接采用USB到UART接口轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn)。兩種方案原理上差別不大，各有各的優(yōu)缺點，前一種各路相對比較獨立，電路調(diào)試簡單，但性能不好，體積大，而且成本要求相對來說高；后一種方案對電路的調(diào)試相對比較復雜，而且需要額外的EEPROM，但性能較好、體積小并且成本較低，綜合考慮，本文采用第二種方案。

    系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。USB的一大優(yōu)點是可以提供500 mA的5 V電源，因此，設計時可以采用總線供電。信號通過FT4232H接口芯片，內(nèi)部處理后轉(zhuǎn)換成4路接口信號。4路相同的信號，通過光電隔離后再經(jīng)過RS422電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為RS422信號。光電隔離芯片是6N137，由于光電隔離左右端電源要求隔離，所以采用DC-DC芯片F(xiàn)0505S-1WR，電平轉(zhuǎn)換芯片采用的是SP491，8位移位寄存器采用的是SN74HCT595，主要是用來顯示各路的發(fā)送接收狀態(tài)，而串行EEPROM采用的是93C46B，用來對數(shù)據(jù)進行一定的存儲。

2 主要芯片介紹
2．1 FT4232H
    FF4232H芯片是由FIDI(Future Technology Devices International)公司生產(chǎn)的，專門用于USB到RS232／RS485／RS422之間的電平轉(zhuǎn)換芯片，數(shù)據(jù)收發(fā)和協(xié)議轉(zhuǎn)換工作全由芯片獨立完成，無需人工干預，不用編寫芯片的固件，給設計者帶來了極大的便利。利用該芯片只需要加少量的外圍電路就可以實現(xiàn)相應的轉(zhuǎn)換。
2．1．1 FT4232H的特點
    和同類產(chǎn)品相比，F(xiàn)T4232H的主要特點如下：
    1)單芯片到4路串口的轉(zhuǎn)換，整個接口協(xié)議中芯片內(nèi)部固化，無需外加的編程；
    2)支持480 Mb／s USB 2．0的高速規(guī)范，并可在各種工業(yè)標準的串行或并行接口(例如UART或FIFO)下進行配置；
    3)提供四種可配置的接口，F(xiàn)T4232H的其中兩個接口可配置為UART、JTAG、SPI、I2C或帶獨立波特率發(fā)生器的位響應模式串口，F(xiàn)T4232H的另外兩個接口具有UART功能或位響應功能；
    4)配置為RS-232／-422／-485 UART接口時，這兩個器件均可支持數(shù)據(jù)傳輸率達12 MB／s；
    5)通過外接EEPROM，可以提供自己產(chǎn)品的VID、PID、設備序列號以及設備相關的說明文字；
    6)雙端口2 k字節(jié)的發(fā)送和接收緩沖單元；
    7)支持UART7／8 Bit數(shù)據(jù)位，1／2停止位，奇偶校驗，Mark／Space校驗或無校驗；
    8)支持異步串行UART接口滿硬件握手信號，調(diào)制接口信號，硬件及Xon／Xoff流量控制；
    9)高集成+1．8 V低壓差線性電壓輸出，以及集成12～480MHz頻率合成；
    10)集成了電平轉(zhuǎn)換器，I／O口電平支持5～3．3 V電平邏輯；
    11)具有低功耗、高速度的特性，為工業(yè)級溫度范圍：-40～+85℃。

3 主要內(nèi)容
3．1 硬件電路
    整個系統(tǒng)的供電來源于USB接口的+5 V；因此芯片工作在USB總線供電模式，典型電路如圖2所示，采用標準的USB接口P1，F(xiàn)T4232H提供了標準的發(fā)送TX和接收RX引腳輸出輸入線，因此與外設的連接方式非常靈活、方便。跟RS422的連接方式如圖中所示，為方便只給出了發(fā)送和接收兩組差分信號線，通過PWREN#和SUSPEND#的輸出來控制信號的發(fā)送和接收。圖中94C46是一片串行的EEPROM，用于存儲產(chǎn)品的VID、PID、設備序列號以及與設備相關的文字說明，芯片的容量大小可以根據(jù)用戶需要進行選擇，本文中選用的是容量為1 K的芯片。雖然轉(zhuǎn)換器在沒有EEPROM芯片一樣可以正常工作，但這時設備的工作方式是FTDI公司默認的內(nèi)容，如果用戶想寫入自己的VID、PID等信息必須外接一片EEPRO-M，其具體內(nèi)容有一定的格式，本設計的工作方式是FTDI公司默認的。

    由于FT4232H要求+3．3 V電壓供電，因此設計中采用低壓差電壓芯片TPS75533KTT，具體電路如圖2所示，輸出+33 V，測試中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。電平轉(zhuǎn)換芯片采用低功耗轉(zhuǎn)換芯片SP491。為了保護PC機和外圍設備相互干擾或者不會因為數(shù)據(jù)傳輸線上可能遭受到的高電壓靜電等的干擾而出現(xiàn)“死機”現(xiàn)象，本設計在FT4232H信號輸出與電平轉(zhuǎn)換前使用了光電隔離器件6N137隔離，注意到6N137左右兩端需要單獨供電，因此我們還加上了DC-DC芯片，對電壓進行隔離，這樣就可以有效防止干擾或者強電流而導致系統(tǒng)失效，圖中只給出了單路接收時的光電隔離電路圖，對于多路發(fā)送接收來說原理一樣。
    為了測試方便以及增強直觀效果，本設計還使用了移位寄存器74HTC595，這樣系統(tǒng)正常工作時，可以直觀的判別那一路的發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)。對于后期PCB板調(diào)試有一定幫助。具體電路如圖2所示。
    電路以FT4232H為核心器件，用雙發(fā)／雙收RS422接口芯片完成RS422電平到TTL電平之間的轉(zhuǎn)換。由于采用USB總線供電結(jié)構，最大能提供電壓+5 V、電流500 mA，所以要求芯片工作電壓低、低功耗體積盡量小，在這里FT4232正常工作電流是70 mA，當處于懸掛模式時，電流為500μA，對于轉(zhuǎn)換芯片，工作電壓為+5 V，正常工作電流是600μA，不工作時最大電流為10μA，最小傳輸速率可以達到5 Mbps，通過FT4232H的PWREN#和SUSPEND#的輸出來控制芯片的工作狀態(tài)，經(jīng)過實踐測試，完全滿足設計的要求。
3．2 驅(qū)動軟件
    轉(zhuǎn)換器連到主機上后，在正常工作之前，必須在PC機上安裝一款由FTDI公司免費提供的虛擬串行口(VCP-VirtualCOM Port)驅(qū)動程序，它的版本支持不同Windows的環(huán)境下。設備的原應用程序不必修改，可以像存取一個標準的物理串口一樣訪問這個虛擬串口，但在實際上所有針對虛擬串口的數(shù)據(jù)通信都是以USB總線傳輸來完成的。但在設備一方，傳輸?shù)拇_實是RS-422的數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)測試
4．1 測試方案
    電源由PC機通過USB接口提供，電源分別經(jīng)過低壓差電壓芯片TPS75533KTT提供3．3 V電壓，光電隔離電壓分別由DC-DC轉(zhuǎn)換芯片分別供電。
    數(shù)據(jù)傳輸驗證，為測試USB接口和RS422接口之間能否正常的傳輸數(shù)據(jù)，而且四路RS422數(shù)據(jù)之間無相互影響和調(diào)包現(xiàn)象。在此我們選用了串口助手軟件作為我們的測試工具，利用串口助手的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)能力，分別鑒定是否能夠同時發(fā)送接收四路RS422數(shù)據(jù)和每一路的USB信號。
4．2 測試結(jié)果
    我們在測試中利用串口助手，波特率設為115 200，測試結(jié)果如圖3所示，實踐證明，使用FT4232H芯片設計出來的USB轉(zhuǎn)換器可使在串口RS422和USB口之間非常容易地建立可靠的連接。能夠同時接收來自四路RS422接口的數(shù)據(jù)，而且此四路RS422接口任何一路或者多路停止傳送數(shù)據(jù)，對其他路數(shù)的數(shù)據(jù)傳送沒有任何的影響。說明四路RS422接口相互之間是獨立工作的。同時我們也做了數(shù)據(jù)的掉包統(tǒng)計，如表1所示。從表1結(jié)果表明，在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中，并沒有出現(xiàn)掉包的情況，因此達到了設計要求。

5 結(jié)束語
    FT4232H是一款功能強大，簡單好用的USB-UART橋接芯片。64引腳，12 mmx12 mm的LQFP外形封裝使其占有空間非常小，非常便于設計人員布設。同時用它將USB口擴展成為RS～422(還包括RS-232和RS-485)接口都非常簡單易行。同時由于其內(nèi)部存儲產(chǎn)品的ID等信息的寄存器，都可以通過外圍EEPROM借助其專門的工具，編寫程序修改，增強了一定的靈活性。在這款轉(zhuǎn)換器中，我們使用了采用DC-DC隔離電源供電，機與通訊接口之間采用高速光耦SP491進行光電隔離，實現(xiàn)了主機系統(tǒng)很強的防高壓沖擊的能力、很強的抗干擾能力。它具有不占用系統(tǒng)資源、結(jié)構簡單、使用方便、通用性強和性能可靠的特點，目前已經(jīng)批量使用了。