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基于CP2102的RS232轉(zhuǎn)USB接口的應(yīng)用設(shè)計(jì)

摘要： 目前儀器設(shè)備大都采用RS232接口與計(jì)算機(jī)通信，但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，支持熱插拔的USB標(biāo)準(zhǔn)接口將取代RS232接口，因此計(jì)算機(jī)將越來越少配置甚至不配置RS232接口。RS232接口與USB接口雖然都屬于串行接幾，但它們的數(shù)據(jù)格式、通信協(xié)議、信號(hào)電平以及機(jī)械連接方式則不同。這樣計(jì)算機(jī)不能控制現(xiàn)有儀器設(shè)備，解決這一問題就得把現(xiàn)有的儀器設(shè)備的RS232接口轉(zhuǎn)換成USB接口。實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換有兩種方案，一種方案是從硬件底層固件開始全面開發(fā)系統(tǒng)，該方案由于開發(fā)成本高、難度大，加之單片機(jī)的限制，因而很少采用；另一種方案是采用USB／RS232橋接器件如CP2102，CP2103進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)通過USB接口虛擬一個(gè)RS232接口，與傳統(tǒng)設(shè)備器件連接，設(shè)備對(duì)計(jì)算機(jī)接口的形式為USB接口。

關(guān)鍵詞： 接口IC 程序庫(kù) 串行數(shù)據(jù) 串口光電耦合器控制信號(hào) 軟件設(shè)計(jì)

Abstract：

Key words :

目前儀器設(shè)備大都采用RS232接口與計(jì)算機(jī)通信，但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，支持熱插拔的USB標(biāo)準(zhǔn)接口將取代RS232接口，因此計(jì)算機(jī)將越來越少配置甚至不配置RS232接口。RS232接口與USB接口雖然都屬于串行接幾，但它們的數(shù)據(jù)格式、通信協(xié)議、信號(hào)電平以及機(jī)械連接方式則不同。這樣計(jì)算機(jī)不能控制現(xiàn)有儀器設(shè)備，解決這一問題就得把現(xiàn)有的儀器設(shè)備的RS232接口轉(zhuǎn)換成USB接口。實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換有兩種方案，一種方案是從硬件底層固件開始全面開發(fā)系統(tǒng)，該方案由于開發(fā)成本高、難度大，加之單片機(jī)的限制，因而很少采用；另一種方案是采用USB／RS232橋接器件如CP2102，CP2103進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)通過USB接口虛擬一個(gè)RS232接口，與傳統(tǒng)設(shè)備器件連接，設(shè)備對(duì)計(jì)算機(jī)接口的形式為USB接口。

　　2 CP2102／CP2103簡(jiǎn)介

　　Silicon Laboratories公司推出的USB接口與RS232接口轉(zhuǎn)換器CP2102／CP2103是一款高度集成的USB-UART橋接器，提供一個(gè)使用最小化元件和PCB空間來實(shí)現(xiàn)RS232轉(zhuǎn)換USB的簡(jiǎn)便解決方案。如圖1所示，CP2102／CP2103包含了一個(gè)USB功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調(diào)制解調(diào)器控制信號(hào)的異步串行數(shù)據(jù)總線(UART)，采用5 mm×5 mm MLP-28的封裝。

　　CP2102／CP2103作為USB／RS232雙向轉(zhuǎn)換器，一方面可以從豐機(jī)接收USB數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為RS232信息流格式發(fā)送給外設(shè)；另一方面可從RS232外設(shè)接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)格式傳送至主機(jī)，其中包括控制和握手信號(hào)。

　　2.1 USB功能控制器和收發(fā)器

　　2.2 異步串行數(shù)據(jù)總線(UART)接口

　　CP2102／CP2103 UART接口包括TX (發(fā)送)和RX(接收)數(shù)據(jù)信號(hào)以及RTS、CTS、DSR、DTR、DCD和RI控制信號(hào)。UART支持RTS／CTS、DSR／DTR和X-On／X-Off握手。

　　通過編程設(shè)置UART，支持各種數(shù)據(jù)格式和波特率。在PC機(jī)的COM端口編程設(shè)置UART的數(shù)據(jù)格式和波特率。表1為其數(shù)據(jù)格式和波特率。

　　2.3 內(nèi)部EEPROM

　　CP2102／CP2103內(nèi)部集成有1個(gè)EEPROM，用于存儲(chǔ)由設(shè)備制造商定義的USB供應(yīng)商ID、產(chǎn)品ID、產(chǎn)品說明、電源參數(shù)、器件版本號(hào)和器件序列號(hào)等信息。USB配置數(shù)據(jù)的定義是可選的。如果EEPROM沒有被OEM的數(shù)據(jù)占用，則采用表1所示的默認(rèn)配置數(shù)據(jù)。注意，對(duì)于可能使用多個(gè)基于CP2102／CP2103連接到同一PC機(jī)的OEM應(yīng)用來說，則需要專用的序列號(hào)。

　　內(nèi)部EEPROM是通過USB編程設(shè)置的，允許OEM的USB配置數(shù)據(jù)和序列號(hào)可以在出廠和測(cè)試時(shí)直接寫入系統(tǒng)板上的CP2102／CP2103。Cygnal提供了一個(gè)專門為CP2102／CP2103的內(nèi)部EEP-ROM編程設(shè)置工具，同時(shí)還提供免費(fèi)的驅(qū)動(dòng)Windows DLL格式的程序庫(kù)。這個(gè)程序庫(kù)可將。EEP-ROM編程步驟集成到OEM在制造中進(jìn)行流水線式測(cè)試和序列號(hào)的管理的自定義軟件中。EEP-ROM的寫壽命的典型值為100 000次，數(shù)據(jù)保持時(shí)間為100年。為了防止更改USB描述符，應(yīng)將其鎖定。

　　2.4 其他功能

　　CP2103除上述功能外也可實(shí)現(xiàn)RS485接口與USB接口轉(zhuǎn)換功能，CP2103支持4個(gè)可按照控制信息定義的GPIO引腳。

　　3 典型應(yīng)用電路

　　3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

　　原設(shè)備的RS232接口僅用TXD／RXD 2個(gè)引腳信號(hào)和地3條線。單片機(jī)8031與RS232接口間的電平驅(qū)動(dòng)采用Maxim公司的MAX202CPE，而采用光電耦合器6N137實(shí)現(xiàn)隔離。

　　采用CP2102改造的接口應(yīng)用電路如圖2所示。該電路已通過制板和軟硬件調(diào)試，完全可靠。串口擴(kuò)展，儀需2～3只外部去耦電容器，REGIN端需加0.1μF與1.0μF并聯(lián)的去耦電容。CP2102的供電電源由計(jì)算機(jī)的USB接口提供，再連接3只保護(hù)管以便于使用。該電路僅使用CP2102的UART總線上TXD／RXD 2個(gè)引腳，其余懸空。單片機(jī)可直接識(shí)別CP2102的UART總線上信號(hào)，為確保數(shù)據(jù)收發(fā)的穩(wěn)定性，避免通信過程產(chǎn)生干擾，采用光電耦合器隔離，并將RST采用一只4.7 kΩ電阻上拉至VDD。

　　當(dāng)CP2102轉(zhuǎn)換器與主機(jī)連接后，必須根據(jù)操作系統(tǒng)選擇相對(duì)應(yīng)的虛擬串行口驅(qū)動(dòng)程序。不必修改設(shè)備的應(yīng)用程序，就像存取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的物理串口一樣訪問該虛擬串口，端口設(shè)備會(huì)產(chǎn)生“CP2102 USB to UART Bridge Controller(COM×)”的新端口(×隨計(jì)算機(jī)的配置而異)，此時(shí)說明驅(qū)動(dòng)程序安裝成功。實(shí)質(zhì)上，所有針對(duì)虛擬串口的數(shù)據(jù)通信都足以USB總線傳輸實(shí)現(xiàn)的，但在設(shè)備上，收發(fā)則是RS232數(shù)據(jù)。

　　3.2 軟件設(shè)計(jì)

　　計(jì)算機(jī)采用C語言的通訊控制函數(shù)，按串行口方式設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)接口通訊軟件設(shè)計(jì)。單片機(jī)通訊程序如下所示。該通訊程序在波特率9 600～600調(diào)試，通訊準(zhǔn)確可靠。

　　4 結(jié)束語

　　基于CP2102／CP2103的RS232轉(zhuǎn)換為USB接口電路具有電路簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，成本低廉等特點(diǎn)，對(duì)原有的RS232傳統(tǒng)器件設(shè)備無需任何改動(dòng)，就能將其RS232設(shè)備升級(jí)為USB接口設(shè)備。