USB接口轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)研究

郭銳添

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，高速、高性能的USB接口模式已逐步成為其主流外圍接口。本研究設(shè)計(jì)了一種多功能的USB接口轉(zhuǎn)換器，并就其總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，實(shí)踐表明，該轉(zhuǎn)換器能夠集成多種轉(zhuǎn)換器的功能，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：USB；轉(zhuǎn)換器；總體設(shè)計(jì)；硬件設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)

前言

USB總線具有即插即用，支持多種傳輸速率，總線供電，應(yīng)用靈活及易于擴(kuò)展的特點(diǎn)，從誕生至今已經(jīng)十多年了。這十多年間，USB在不斷完善，并走向成熟，得到了諸多廠商的認(rèn)可。同時(shí)，隨著USB應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，如何使USB的連接更加高效、便利，滿足工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)對(duì)多種接口間互相通信的需求，成為新的研究課題。下面，提出一種USB接口轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)方式。

1.總體設(shè)計(jì)

在使用功能上，通過軟硬件結(jié)合的方式，自動(dòng)選擇不同的接口轉(zhuǎn)換類型，通信的波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)方式可靈活配置。考慮到多功能USB接口轉(zhuǎn)換器使用環(huán)境，外殼采用絕緣和防水防潮性能優(yōu)良的ABS材質(zhì)，體積盡量小巧，外形美觀。每個(gè)外露的接口都要具備必要的防護(hù)，減少人體靜電或外部導(dǎo)電體對(duì)設(shè)備的損壞。

2.硬件設(shè)計(jì)

多功能USB接口轉(zhuǎn)換器的硬件電路包括電源、CPU、接口、配置四個(gè)組成部分。

2.1電源部分

多功能USB接口轉(zhuǎn)換器使用時(shí)，插在便攜式設(shè)備的主USB接口上。根據(jù)USB接口的相關(guān)規(guī)范，該主USB接口能夠?qū)ν馓峁?5V/500mA的電源，可以作為多功能USB接口轉(zhuǎn)換器的工作電源。+5V電源進(jìn)入多功能USB接口轉(zhuǎn)換器后，在接口處串聯(lián)保險(xiǎn)管，避免內(nèi)部故障損壞便攜式設(shè)備。多功能USB接口轉(zhuǎn)換器中的芯片工作電源為+3.3V，在本設(shè)計(jì)中，采用LDO器件SPX3819M5-3.3來實(shí)現(xiàn)+5V到+3.3V的轉(zhuǎn)換。SPX3819M5-3.3是一種高性能的工業(yè)級(jí)低壓差輸出穩(wěn)壓芯片，為降低生產(chǎn)制造時(shí)對(duì)焊接工藝的要求，本設(shè)計(jì)選擇5腳的SOT-23封裝，該封裝人工焊接和流水線自動(dòng)貼裝均可。輸入電容和輸出電容一般采用陶瓷貼片電容，容量為10μF和0.1μF，二者成對(duì)使用可以達(dá)到濾除紋波和高頻毛刺的效果。

2.2CPU部分

多功能USB接口轉(zhuǎn)換器的核心處理單元是一個(gè)最小的系統(tǒng)，包括核心CPU、電源引腳退耦電容、晶振、復(fù)位電路等。

1.核心CPU。核心CPU選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103RCT6，該芯片工作電壓+3.3V，具有5個(gè)UART口，滿足轉(zhuǎn)換器的多通信口需求，芯片封裝為L(zhǎng)QFP64，工作頻率可達(dá)到64M，內(nèi)部RAM容量為46K，內(nèi)部FLASH容量為256K，有多個(gè)16位的定時(shí)器、SPI接口、I2C接口、I2S接口、CAN總線、AD/DA功能、PWM輸出等。

2.3晶振電路

晶振電路是CPU正常工作必不可少的部分，為整個(gè)系統(tǒng)提供時(shí)序基準(zhǔn)。雖然CPU的內(nèi)部集成有RC晶振回路，但是精度不高，可滿足對(duì)時(shí)序要求不是很苛刻的應(yīng)用。本系統(tǒng)中，通信過程對(duì)時(shí)序的要求較高，因此使用外部晶振。CPU上電后，將外部晶振產(chǎn)生的震蕩信號(hào)，通過內(nèi)部的倍頻鎖相環(huán)電路，倍頻到合適的高頻，作為各種外設(shè)和看門狗模塊的時(shí)鐘源。

2.4復(fù)位電路

STM32F103RCT6芯片是低電平復(fù)位，由電阻和電容組成上電復(fù)位電路。設(shè)備上電后，+3.3V通過電阻給電容充電，在上電瞬間，由于電容上電壓不能突變，因此連接到電容的復(fù)位引腳為低電平，并持續(xù)到CPU的內(nèi)核復(fù)位完成后，電容充滿電，電容兩端電壓上升到系統(tǒng)電壓+3.3V，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

2.5接口部分

轉(zhuǎn)換器的對(duì)外通信接口有5個(gè)：主USB接口、RS232電平接口、RS485電平接口、無線接口、TTL電平接口。這些接口邏輯上分別對(duì)應(yīng)CPU的UART1--UART5，通過內(nèi)部程序進(jìn)行軟件映射，建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.6主USB接口

主USB接口部分使用FT232RL芯片實(shí)現(xiàn)，該芯片內(nèi)集成有EEPROM和主時(shí)鐘發(fā)生器、3.3VZLDO調(diào)節(jié)器、復(fù)位發(fā)生器和USB終端電阻。芯片內(nèi)部的兩個(gè)雙口FIFO緩沖區(qū)，用于USB數(shù)據(jù)和RS232數(shù)據(jù)的交換緩沖區(qū)，分別為128字節(jié)和256字節(jié)大小。本應(yīng)用中使用RXD和TXD兩線制串口，與CPU的UART1口連接，USBDM和USBDP引腳連接到標(biāo)準(zhǔn)的USB從機(jī)插座上，第17腳輸出的電壓作為I/O口電源，與第4腳的VCCIO相連。

2.7 RS232電平接口

RS232接口電平的轉(zhuǎn)換使用MAX3232芯片來實(shí)現(xiàn)，該芯片提供2路的TTL-232轉(zhuǎn)換電路，本設(shè)計(jì)選用其中的一路來實(shí)現(xiàn)功能需求。外圍電路使用5個(gè)0.1μF的瓷片電容來完成倍壓及電源退耦。在RS232線上串接電阻R4，R5對(duì)接口限流保護(hù)，連接器采用標(biāo)準(zhǔn)的DB9母頭，2腳接收，3腳發(fā)送，5腳接地。

2.7 RS485電平接口

RS485接口具有優(yōu)異的抗干擾性能，廣泛在工業(yè)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，在此選用比較主流的MAX3485芯片。接收和發(fā)送控制端由CPU的一個(gè)I/O口控制，并接下拉電阻，常態(tài)時(shí)出于接收狀態(tài)，發(fā)送時(shí)由程序?qū)υ撘_拉高。在A，B兩線上并接保護(hù)器件TVS1、TVS2，同時(shí)串接熱敏電阻RT1、RT2，磁珠RCZ1、RCZ2，防止通訊線上的浪涌、靜電和群脈沖信號(hào)對(duì)芯片造成損壞。

2.8無線（WL）接口

無線接口（WL）部分為一個(gè)TTL-WL的無線模塊，與CPU通過UART口連接，空中的波特率和編碼解碼等由模塊自身實(shí)現(xiàn)，無線模塊提供電源（VCC）、地（GND）、發(fā)送（TXD）、接收（RXD）和復(fù)位（RST）5個(gè)引腳。使用無線接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，可以避免接線，在布線難度較大的環(huán)境中使用，有非常顯著的優(yōu)勢(shì)。

2.9TTL接口

接口轉(zhuǎn)換器的TTL電平接口是一個(gè)兩芯的接線端子，CPU的UART口從引腳輸出后，通過串聯(lián)電阻直接與接線端子連接，這個(gè)接口用于對(duì)方設(shè)備是TTL電平接口的場(chǎng)合。

2.10轉(zhuǎn)換類型配置部分

本部分電路采用撥碼開關(guān)實(shí)現(xiàn)，撥碼開關(guān)的一端接下拉電阻后，與CPU的I/O口連接，另外一端接+3.3V。通過撥動(dòng)撥碼開關(guān)，使得I/O口對(duì)應(yīng)不同的高低電平，CPU程序判斷這些不同的電平組合，在相應(yīng)的接口之間切換，包括輸出不同的數(shù)據(jù)格式：波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)方式等。

3.軟件設(shè)計(jì)

軟件架構(gòu)采用模塊化，每一個(gè)功能模塊相對(duì)獨(dú)立，結(jié)構(gòu)清晰，方便查錯(cuò)和以后的功能擴(kuò)展。本設(shè)計(jì)的功能模塊有：芯片初始化模塊，用于對(duì)芯片進(jìn)行基本配置，完成芯片初始化；USB接口芯片驅(qū)動(dòng)模塊，用于識(shí)別出USB接口，將通信虛擬為串口；配置類型識(shí)別模塊，用于采樣撥碼開關(guān)的電平狀態(tài)，形成參數(shù)類型組；UART接口驅(qū)動(dòng)模塊，用來配置UART接口參數(shù)，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。軟件開發(fā)環(huán)境選擇Keil，該環(huán)境提供強(qiáng)大的開發(fā)支持，能夠加速代碼的編寫過程。

4.結(jié)語

綜上所述，在生產(chǎn)生活中，USB接口已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，其接口模式要求向速度更快，性能更優(yōu)良方向發(fā)展。實(shí)踐表明，本USB轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)USB-TTL、USB-RS232、USB-RS485、USB-無線（WL）等多種類型的接口轉(zhuǎn)換，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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