USB、RS232/RS422接口轉換電路的設計

黃燕妮，王少云

（1.南京航空航天大學 電子信息工程學院，江蘇 南京 210016；2.南京航空航天大學 無人機研究院，江蘇 南京 210016）

USB總線是一種新型的通用串行數據總線，具有傳輸速率高、可靠性高、即插即用、可熱插拔等特點[1]，成為當前PC機上最重要的外部設備擴展總線。因此，USB接口的設計成為實現計算機與外圍硬件設備數據傳輸的工具之一。隨著計算機技術的不斷發展，計算機越來越少配置串口或不配置串口 （筆記本電腦更明顯），然而計算機與外圍硬件設備通信時，串口仍是主要接口之一，如計算機從串口的儀器儀表中獲取數據、計算機對外圍電路進行控制以及單片機調試等。

實現USB接口的轉換有兩種方案可選，一種方案是從硬件底層固件開始全面開發系統，但是該方案開發成本高、難度大，加之單片機的限制，因而很少采用；另一種方案是采用USB橋接器件[2]，計算機通過USB接口虛擬一個RS232接口與傳統設備器件連接，設備對計算機接口的形式為USB接口。此類器件的出現大大簡化了USB接口的開發過程。本文采用第二種方案實現USB接口與RS232接口，USB接口與RS422接口的雙向轉換。

1 方案選擇

目前市場上的關于USB橋接芯片有多種類型，其中PROLIPIC公司的PL2303HX最便宜，但外圍電路較CP2102復雜，性能相對稍差，并且焊接芯片需要一定的功底；而FTDI公司的FT8U232BM雖然性能穩定，并且驅動支持最好，焊接起來相對也比較容易，但其價格稍貴且外圍電路比較復雜；美國Silicon公司的CP2102系列性能價錢介于兩者之間，電路最簡單,體積小，可實現單片獨立工作而無須外部元件。綜合考慮，文中選用CP2102系列進行電路轉換。

2 CP2102介紹

CP2102是一種高度集成的 USB轉 UART橋接器，提供一個使用最小化的元件和PCB空間實現 RS232轉 USB的簡便的解決方案。該芯片的內部結構及外部基本連接電路如圖1所示。針對CP2102內部主要部分的功能，下面作簡單的介紹。

CP2102中的USB功能控制器是一個符合USB2.0的全速電路,帶有收發器和相應的片內上拉電阻器。USB功能控制器管理USB與UART間的所有數據傳輸,以及由USB主控制器發出的請求命令和用于控制UART功能的命令。通過USB掛起和恢復信號可支持CP2102及外部電路的電源管理。當在總線上檢測到掛起信號時,CP2102將進入掛起模式。在進入掛起模式時,CP2102會發出SUSPEND和信號。同時,在CP2102復位后,CP2102也會發出該信號直到USB要求的器件配置完成。

CP2102 UART接口包括TX（發送）和RX（接收）數據信號以及 RTS、CTS、DSR、DTR、DCD 和 RI控制信號。 UART 支持RTS/CTS、DSR/DTR和X-On/X-Off握手。通過編程設置UART，支持各種數據格式和波特率。在PC機的COM端口編程設置UART的數據格式和波特率。

CP2102內部集成有1個EEPROM，用于存儲由設備制造商定義的USB供應商ID﹑產品ID﹑產品說明﹑電源參數﹑器件版本號和器件序列號等信息。USB配置數據的定義是可選的。內部EEPROM是通過USB編程設置的,允許OEM的USB配置數據和序列號可以在出廠和測試時直接寫入系統板上的CP2102。Cygnal提供了一個專CP2102的內部EEPROM編程設置工具，同時還提供免費的驅動Windows DLL格式的程序庫。這個程序庫可將EEPROM編程步驟集成到OEM在制造中進行流水線式測試和序列號的管理的自定義軟件中。EEPROM的寫壽命的典型值為100 000次,數據保持時間為100年。為了防止更改USB描述符，應將其鎖定。

CP2101是一個可以由USB總線驅動的器件電源由 USB的VBUS信號提供。它包括一個用于實現此功能的片內5 V轉3 V電壓調節器。電壓調節器的3 V輸出被引出到VDD引腳使得外部的3 V器件可以由USB供電。 注意:CP2101的VBUS和 REGIN引腳都應該總是被連接到USB的 VBUS信號上[3]。

圖1 CP2102的內部結構及外部基本連接Fig.1 The internal structure and the external basic connection of CP2102

3 硬件電路設計

文中采用的直流電源選用國家半導體公司生產的1A集成穩壓電路LM2575-ADJ系列,實現28 V到5 V電源的轉換。它內部集成了一個固定的振蕩器,只須極少外圍器件便可構成一種高效的穩壓電路。

轉換電路原理圖如圖2所示。該電路能可靠的實現USB接口、UART接口、RS232接口及RS422總線接口之間的轉換。

圖2 轉換電路原理圖Fig.2 Principle diagram of conversion circuit

電路中CP2102完成USB接口功能，電源來自USB接口的VBUS，用于完成到TTL電平的轉換。為了增加抗干擾能力,CP2102的第9腳與第6腳VDD之間接有一個4.7 kΩ的電阻，為了確保數據收發的穩定性，避免通信過程中的干擾，在REGIN的輸入端加了去耦電容0.1F與1.0F并連。RS-232接口芯片完成TTL電平到RS232電平的轉換，本文選用的是美信公司專門為電腦的RS-232標準串口設計的單電源電平轉換芯片MAX232系列，該芯片使用+5 V單電源供電，內部集成2個RS-232C驅動器，功耗低，且高集成度[4]，片外最低只需4個電容即可工作。

RS422接口芯片用于完成將TTL電平轉換為RS422電平，本文選用美信公司的MAX490系列。MAX490工作在5 V單電源下，是用于RS-485與RS-422通信的低功耗收發器，具有一個驅動器和一個接收器，驅動器擺率不受限制，可以實現最高2.5 Mbps的傳輸速率[5]。另外電路中為避免通信信號的反射和回波，在RS422的接收端并聯一個120 Ω的終端電阻。

4 USB接口轉換器的工作原理

當轉換器連接到USB總線后，首先必須根據操作系統安裝相對應的CP2102 USB驅動程序。用戶可以用內部EEPROM編程設置工具對CP2102中的EEPROM進行設置，寫入用戶自定義的廠商ID、產品ID、序列號、用戶描述字符等數據。

如果驅動程序安裝成功，USB接口轉換器將向Windows操作系統暴露一個虛擬的串行接口COMX(X隨計算機的配置而異)，該工作由Silicon公司提供的USB驅動程序完成。這個虛擬的串行接口與真實的串行接口的工作方式完全一樣，在用戶的應用程序中可以像控制傳統串行接口一樣使用這個虛擬串口。因此，無需修改傳統的通過RS232/RS422接口工作控制軟件程序，就可通過USB接口轉換器傳輸數據。本質上所有針對虛擬串口的數據通信都是以USB總線傳輸來完成的，但在設備一方，收發的是RS232/RS422數據[6]。

5 結束語

文中以CP2102為核心，設計的轉換電路能方便的實現USB、RS232及RS422總線的轉換，并已得到成功應用。該轉換電路采用的通用轉換芯片不僅價格低廉、簡單實用，而且性能可靠，能滿足大多數的應用場合，有較大的實用價值。

[1]余善恩，尚群立.RS232設備到USB設備的升級及USB設備的開發[J].計算機工程，2007，33（3）:256-258.

YU Shan-en,SHANG Qun-li.Method of upgrade RS232 device to USB device and development of USB device[J].Computer Engineering，2007，33（3）:256-258.

[2]徐民，張博.基于CP2102/CP2103的RS232接口轉換為USB接口的應用設計[J].電子設計工程，2008，16（5）：15-17.

XU Min，ZHANG Bo.Design of RS232/USB upgrade based on CP2102/CP2103[J].Electronic Design Engineering，2008，16（5）:15-17.

[3]Silicon Laboratories.CP2102 DataSheet[EB/OL].[2010-8].http://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/cp2102.pdf.

[4]胡瑋，魏偉.RS232與RS485串行接口轉換電路及其編程實現[J].實驗科學與技術，2010，8（1）：69-70.

HU Wei，WEI Wei.RS232 to RS485 serial interface conversion circuitanditsprogramme[J].ExperimentScience&Technology，2010，8（1）：69-70.

[5]Maxim Integrated Products.MAX1487-MAX491 Datasheet[EB/OL][2009 -9].http://datasheets.maxim-ic.com/cn/ds/MAX1487-MAX491_cn.pdf.

[6]張博.用CP2102升級串行接口為USB接口的應用設計[J].自動化技術與應用，2009，28（6）：104-106.

ZHANG Bo.RS232/USB Upgrade design with CP2102[J].Techniques of Automation and Applications，2009，28 （6）：104-106.