USB到多路RS422轉(zhuǎn)換器的電路實(shí)現(xiàn)

摘要：當(dāng)USB接口與多個(gè)RS422設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)，由于PC機(jī)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(gè)問題，采用FTDI公司的F4232H芯片，結(jié)合USB總線供電結(jié)構(gòu)，通過簡單的外圍電路設(shè)計(jì)出一路USB轉(zhuǎn)4路RS422的轉(zhuǎn)換器。經(jīng)過測(cè)試和實(shí)踐結(jié)果表明，這種方案具有優(yōu)良的性能和很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：USB；RS422；FT4232H；轉(zhuǎn)換器

    隨著社會(huì)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(qiáng)的擴(kuò)展性等特點(diǎn)在計(jì)算機(jī)接口以及終端電子產(chǎn)品中占據(jù)著主導(dǎo)地位，USB接口有逐漸取代其他標(biāo)準(zhǔn)接口的趨勢(shì)。然而工業(yè)以及民用大量采用RS422傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備裝置，RS422采用雙平衡差分信號(hào)傳輸，所有傳輸距離最大可以達(dá)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(shè)備面臨著巨大的考驗(yàn)。而USB卻能彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)，因此，結(jié)合USB的總線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)RS422與USB接口的轉(zhuǎn)換器勢(shì)在必行。
    然而，一般計(jì)算機(jī)提供的串行接口有限，當(dāng)串行設(shè)備數(shù)量增加時(shí)，端口的短缺問題將給用戶帶來極大的不便，針對(duì)這種情況，本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，利用FTDI公司的FT4232H芯片，通過簡單的外圍電路來設(shè)計(jì)一路USB轉(zhuǎn)4路RS422的轉(zhuǎn)換器。

1 總體設(shè)計(jì)方案
    本設(shè)計(jì)開始時(shí)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(hào)，再通過USB到RS422單路轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)：2)直接采用USB到UART接口轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)。兩種方案原理上差別不大，各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，前一種各路相對(duì)比較獨(dú)立，電路調(diào)試簡單，但性能不好，體積大，而且成本要求相對(duì)來說高；后一種方案對(duì)電路的調(diào)試相對(duì)比較復(fù)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(diǎn)是可以提供500 mA的5 V電源，因此，設(shè)計(jì)時(shí)可以采用總線供電。信號(hào)通過FT4232H接口芯片，內(nèi)部處理后轉(zhuǎn)換成4路接口信號(hào)。4路相同的信號(hào)，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(hào)。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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的存儲(chǔ)。

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(dú)立完成，無需人工干預(yù)，不用編寫芯片的固件，給設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。
2．1．1 FT4232H的特點(diǎn)
    和同類產(chǎn)品相比，F(xiàn)T4232H的主要特點(diǎn)如下：
    1)單芯片到4路串口的轉(zhuǎn)換，整個(gè)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(biāo)準(zhǔn)的串行或并行接口(例如UART或FIFO)下進(jìn)行配置；
    3)提供四種可配置的接口，F(xiàn)T4232H的其中兩個(gè)接口可配置為UART、JTAG、SPI、I2C或帶獨(dú)立波特率發(fā)生器的位響應(yīng)模式串口，F(xiàn)T4232H的另外兩個(gè)接口具有UART功能或位響應(yīng)功能；
    4)配置為RS-232／-422／-485 UART接口時(shí)，這兩個(gè)器件均可支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率達(dá)12 MB／s；
    5)通過外接EEPROM，可以提供自己產(chǎn)品的VID、PID、設(shè)備序列號(hào)以及設(shè)備相關(guān)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(yàn)，Mark／Space校驗(yàn)或無校驗(yàn)；
    8)支持異步串行UART接口滿硬件握手信號(hào)，調(diào)制接口信號(hào)，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(jí)溫度范圍：-40～+85℃。

3 主要內(nèi)容
3．1 硬件電路
    整個(gè)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(biāo)準(zhǔn)的USB接口P1，F(xiàn)T4232H提供了標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)送TX和接收RX引腳輸出輸入線，因此與外設(shè)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(hào)線，通過PWREN#和SUSPEND#的輸出來控制信號(hào)的發(fā)送和接收。圖中94C46是一片串行的EEPROM，用于存儲(chǔ)產(chǎn)品的VID、PID、設(shè)備序列號(hào)以及與設(shè)備相關(guān)的文字說明，芯片的容量大小可以根據(jù)用戶需要進(jìn)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(shí)設(shè)備的工作方式是FTDI公司默認(rèn)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(shè)計(jì)的工作方式是FTDI公司默認(rèn)的。

    由于FT4232H要求+3．3 V電壓供電，因此設(shè)計(jì)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(cè)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(hù)PC機(jī)和外圍設(shè)備相互干擾或者不會(huì)因?yàn)閿?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(jī)”現(xiàn)象，本設(shè)計(jì)在FT4232H信號(hào)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(dú)供電，因此我們還加上了DC-DC芯片，對(duì)電壓進(jìn)行隔離，這樣就可以有效防止干擾或者強(qiáng)電流而導(dǎo)致系統(tǒng)失效，圖中只給出了單路接收時(shí)的光電隔離電路圖，對(duì)于多路發(fā)送接收來說原理一樣。
    為了測(cè)試方便以及增強(qiáng)直觀效果，本設(shè)計(jì)還使用了移位寄存器74HTC595，這樣系統(tǒng)正常工作時(shí)，可以直觀的判別那一路的發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)。對(duì)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(gòu)，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(dāng)處于懸掛模式時(shí)，電流為500μA，對(duì)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(shí)最大電流為10μA，最小傳輸速率可以達(dá)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(shí)踐測(cè)試，完全滿足設(shè)計(jì)的要求。
3．2 驅(qū)動(dòng)軟件
    轉(zhuǎn)換器連到主機(jī)上后，在正常工作之前，必須在PC機(jī)上安裝一款由FTDI公司免費(fèi)提供的虛擬串行口(VCP-VirtualCOM Port)驅(qū)動(dòng)程序，它的版本支持不同Windows的環(huán)境下。設(shè)備的原應(yīng)用程序不必修改，可以像存取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的物理串口一樣訪問這個(gè)虛擬串口，但在實(shí)際上所有針對(duì)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(shè)備一方，傳輸?shù)拇_實(shí)是RS-422的數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)測(cè)試
4．1 測(cè)試方案
    電源由PC機(jī)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(yàn)證，為測(cè)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(cè)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(shí)發(fā)送接收四路RS422數(shù)據(jù)和每一路的USB信號(hào)。
4．2 測(cè)試結(jié)果
    我們?cè)跍y(cè)試中利用串口助手，波特率設(shè)為115 200，測(cè)試結(jié)果如圖3所示，實(shí)踐證明，使用FT4232H芯片設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)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(dú)立工作的。同時(shí)我們也做了數(shù)據(jù)的掉包統(tǒng)計(jì)，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(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語
    FT4232H是一款功能強(qiáng)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(shè)計(jì)人員布設(shè)。同時(shí)用它將USB口擴(kuò)展成為RS～422(還包括RS-232和RS-485)接口都非常簡單易行。同時(shí)由于其內(nèi)部存儲(chǔ)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(qiáng)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(jī)與通訊接口之間采用高速光耦SP491進(jìn)行光電隔離，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)系統(tǒng)很強(qiáng)的防高壓沖擊的能力、很強(qiáng)的抗干擾能力。它具有不占用系統(tǒng)資源、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、通用性強(qiáng)和性能可靠的特點(diǎn)，目前已經(jīng)批量使用了。