USB-RS 232轉(zhuǎn)換卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(jì)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(gè)接口之間的轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)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(jì)原理，并以CH341T芯片為例，設(shè)計(jì)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。

RS 232自1969年由美國電氣工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)推薦以來，由于接口和通信協(xié)議比較簡(jiǎn)單，因而在計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jī)和喚醒模式。此外，由于USB用于上行和下行連接頭的機(jī)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(shí)將127個(gè)外設(shè)連接在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上。同時(shí)基于USB的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，可使采集系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換具備廣泛的適用性。USB是目前計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，采用此方案可以使用任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)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(yuǎn)程終端等運(yùn)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(shí)施方面的問題。為適應(yīng)USB廣泛流行的現(xiàn)實(shí)，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(shí)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(jì)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(duì)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(hào)等)。

數(shù)據(jù)緩沖區(qū) 用來臨時(shí)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(jì)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(shí)，計(jì)算機(jī)檢測(cè)到設(shè)備的連接后對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化配置并啟動(dòng)相關(guān)的客戶驅(qū)動(dòng)程序；驅(qū)動(dòng)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(shí)，計(jì)算機(jī)上的驅(qū)動(dòng)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(jì)

2．1 協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)

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(jì)該卡的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)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(hào)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(jiǎn)裝版CH341T來設(shè)計(jì)USB-RS 232轉(zhuǎn)換卡。圖2是一個(gè)利用CH341T和MAX232進(jìn)行USB接口設(shè)計(jì)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(jì)

設(shè)計(jì)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(duì)5 V電源線和一對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)線。通常，+5 V電源線為紅色；接地線為黑色；D+信號(hào)線為綠色；D-信號(hào)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(shí)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。