USB、RS232／RS422接口转换电路的设计

摘要：由于USB接口正逐步替代传统的RS232接口成为PC机的标准接口，USB接口转换电路的设计就很有必要。采用Silicon公司高集成度的USB—UART桥接器件CP2102，辅以简单的外部电路，实现了RS232／RS422接口与USB接口转换电路的设计。其中在详细介绍CP2102结构和特性的基础上，给出了接口转换的硬件电路图，最后简单介绍了转换器的工作原理。
关键词：USB；CP2102；RS232；RS422

USB总线是一种新型的通用串行数据总线，具有传输速率高、可靠性高、即插即用、可热插拔等特点，成为当前PC机上最重要的外部设备扩展总线。因此，USB接口的设计成为实现计算机与外围硬件设备数据传输的工具之一。随着计算机技术的不断发展，计算机越来越少配置串口或不配置串口(笔记本电脑更明显)，然而计算机与外围硬件设备通信时，串口仍是主要接口之一，如计算机从串口的仪器仪表中获取数据计算机对外围电路进行控制以及单片机调试等。实现USB接口的转换有两种方案可选，一种方案是从硬件底层固件开始全面开发系统，但是该方案开发成本高、难度大，加之单片机的限制，因而很少采用；另一种方案是采用USB桥接器件，计算机通过USB接口虚拟一个RS232接口与传统设备器件连接，设备对计算机接口的形式为USB接口。此类器件的出现大大简化了USB接口的开发过程。本文采用第二种方案实现USB接口与RS232接口，USB接口与RS422接口的双向转换。

1 方案选择
目前市场上的关于USB桥接芯片有多种类型，其中PROLIPIC公司的PL2303HX最便宜，但外围电路较CP2102复杂，性能相对稍差，并且焊接芯片需要一定的功底；而FTDI公司的FT8U232BM虽然性能稳定，并且驱动支持最好，焊接起来相对也比较容易，但其价格稍贵且外围电路比较复杂；美国Silicon公司的CP2102系列性能价钱介于两者之间，电路最简单，体积小，可实现单片独立工作而无须外部元件。综合考虑，文中选用CP2102系列进行电路转换。

2 CP2102介绍
CP2102是一种高度集成的USB转UART桥接器，提供一个使用最小化的元件和PCB空间实现RS232转USB的简便的解决方案。该芯片的内部结构及外部基本连接电路如图1所示。针对CP2102内部主要部分的功能，下面作简单的介绍。

CP2102中的USB功能控制器是一个符合USB2．0的全速电路，带有收发器和相应的片内上拉电阻器。USB功能控制器管理USB与UART间的所有数据传输，以及由USB主控制器发出的请求命令和用于控制UART功能的命令。通过USB挂起和恢复信号可支持CP2102及外部电路的电源管理。当在总线上检测到挂起信号时，CP2102将进入挂起模式。在进入挂起模式时，CP2102会发出SUSPEND和信号。同时，在CP2102复位后，CP2102也会发出该信号直到USB要求的器件配置完成。
CP2102 UART接口包括TX(发送)和RX(接收)数据信号以及RTS、CTS、DSR、DTR、DCD和RI控制信号。UART支持RTS／CTS、DSR／DTR和X—On／X—Off握手。通过编程设置UART，支持各种数据格式和波特率。在PC机的COM端口编程设置UART的数据格式和波特率。
CP2102内部集成有1个EEPROM，用于存储由设备制造商定义的USB供应商ID、产品ID、产品说明、电源参数、器件版本号和器件序列号等信息。USB配置数据的定义是可选的。内部EEPROM是通过USB编程设置的，允许OEM的USB配置数据和序列号可以在出厂和测试时直接写入系统板上的CP2102。Cygnal提供了一个专CP2102的内部EEPROM编程设置工具，同时还提供免费的驱动Windows DLL格式的程序库。这个程序库可将EEPROM编程步骤集成到OEM在制造中进行流水线式测试和序列号的管理的自定义软件中。EEPROM的写寿命的典型值为100 000次，数据保持时间为100年。为了防止更改USB描述符，应将其锁定。