USB-RS 232轉(zhuǎn)換卡的設計與實現(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、遠程終端等設備的接口還是沿用RS 232。為解決兩個接口之間的轉(zhuǎn)換，設計并研制了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)換卡的設計原理，并以CH341T芯片為例，設計并制作了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。

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域得到了廣泛的應用，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，使得外設到計算機的連接更加高效、便利，功率不大的外圍設備可以直接通過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是目前計算機的標準配置，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串行接口的控制設備、儀器儀表、遠程終端等運行在諸多應用領域中，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)標準的RS 232接口的所有功能，以實現(xiàn)與標準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的數(shù)據(jù)傳輸為例，介紹USB-RS 232轉(zhuǎn)換卡的工作原理：

當USB-RS 232轉(zhuǎn)換卡連接到USB總線上時，計算機檢測到設備的連接后對設備進行初始化配置并啟動相關的客戶驅(qū)動程序；驅(qū)動程序給設備發(fā)送配置命令以設置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)送給設備。

2 USB-RS 232轉(zhuǎn)換卡的設計

2．1 協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊的設計

根據(jù)原理框圖，選擇恰當?shù)膮f(xié)議轉(zhuǎn)換模塊是設計該卡的關鍵。設計轉(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，也不用編寫芯片的固件。本文采用CH341的簡裝版CH341T來設計USB-RS 232轉(zhuǎn)換卡。圖2是一個利用CH341T和MAX232進行USB接口設計的硬件框圖。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設備。根據(jù)實際需要，選擇目前廣泛應用的DB9連接器。

2．2 硬件電路設計

設計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。