一种USB-RS232转换模块设计

出处:艰苦奋斗 发布于:2011-08-29 13:28:05

  1 前言

  随着计算机硬件飞速发展,外围设备日益增多,键盘、鼠标、调制解调器、打印机、扫描仪早已为人所共知,数码相机、MP3随身听接踵而至,这么多的设备,如何接入个人计算机?USB就是基于这个目的产生的。USB是一个使计算机周边设备连接标准化、单一化的接口,其规格是由Intel(英特尔)、NEC、Compaq、DEC、IBM(商业机器公司)、Microsoft(微软)、Northern Telecom联系制定的。 USB ,是英文Universal Serial BUS(通用串行总线)的缩写,而其中文简称为“通串线,是一个外部总线标准,用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。是应用在PC领域的接口技术。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的。

  2 USB-RS232转换器设计方案

  可供选择的USB-RS232转换器设计方案有:利用通用的USB控制器内置的通用异步收发器(UART)在USB与RS232之间转换信号,如 CY7C68013;采用单独的USB接口收发器,如ISP1581,PDIUSBD1 1/12等。而目前应用广泛的是采用专用的USB/RS232双向转换器,如FTDI公司的FT232BM,FT2232C,FT232R,该方案将数据收发和协议转换工作全部由转换器独立完成,无需编写器件的固件。

  3 FT2232H简介

  FTDI公司推出的第5代USB-to-UART/FIFO器件FT2232H支持480 Mb/s的USB 2.0高速规范,并可在各种工业标准的串行或并行接口(例如UART或FIFO)下配置,可提供两种可配置的接口,每个接口均可配置为UART、 JTAG、SPI、I2C或带独立波特率发生器的位响应模式串口。它可以实现USB到两个串行UART、FIFO、Bit-Bang IO接口,并且还可以配成MPSSE,I2C,JTAG及SPI总线。芯片内部整合了上电复位电路,节约成本;内部整合电平转换器,使IO电平支持5V和3。3V通过外挂的EEPROM,用于IO配置及储存USB VID和PID;提供各种操作系统下的驱动程序,如Windows OS,Mac OS,WindowsCE,Linux;具体型号包括FT2232D,FT2232H

  3.1 主要特点

  FT2232H可提供2个支持USB 2.0高速规范且可配置的并行/串行接口;内部集成有USB协议引擎,控制通用收发宏单元接口(UTMI)可处理USB 2.0高速接口所有方面:内部集成有+1.8 V低压差(LDO)稳压器和12~480 MHz的PLL;每个接口4 KB TX和RX数据缓冲;内部有效集成整个USB协议,无需任何固件;多协议的同步连续的发动机(MPSSE)的速度可达30 Mbit/s,提供灵活的同步接口配置;当配置为RS-232/-422/-485 UART接口时,FT2232H支持数据传输率达12 Mb/s:当配置为并行FIFO接口时,数据传输率达25 Mb/s。

  3.2 功能描述

  FT2232H内部结构图如图1所示。FT2232H有2个独立的UART/FIFO控制器,用于控制异步数据、245 FIFO数据、光电隔离(高速串口)或在安装程序命令时控制Bit-Bang模式;USB协议引擎控制和管理UTMI PHY与FIFO之间的接口,负责电源管理和USB协议规范;双端口FIFO TX缓冲区(4KB)存储来自主机PC的数据,并通过多用途的UART,FIFO控制器使用数据;双端口FIFO RX缓冲区(4KB)存储来自多用途UART/FOFO控制器的数据,然后再将数据送至主机;复位发生器模块上电时为设备内部电路提供可靠的供电复位。VREGIN还需外接一只滤波电容器:通用收发器宏单元接口(UTMI)物理层为USBTX/RX数据提供全速/高速SERDES (serialise-deserialise劝能,还可提供时钟;当不使用外部E2PROM时,FT2232H默认为一个USB到双串口设备,添加一个外部93C46(93C56或93C66)E2PROM使每个器件的通道独立配置为一个串行UART(RS232)模式,并行FIFO(245)模式或高速串口(光电隔离)。外部E2PROM也可用于存储FT223-2H的USB VID,PID,设备驱动号和设备说明文字。

  4 硬件设计

  图2为FT2232H配置USB-UART R232接口电路。

  4.1 RS232 UART模式LED接口

  当配置在异步模式下,FT2232H在每个通道上有2个IO引脚控制LED状态指示灯,分别用于传输和接收数据。传输/接收数据时,各自引脚从三态驱动至低电平,LED上显示数据传输。使用数字计时器,即使数据传输的百分之几也可清楚传输至用户终端。

  4.2 USB总线供电配置

  USB总线为通用串行总线,USB接口位于PS/2接口和串并口之间,允许外设在开机状态下热插拔,多可串接下来127个外设,传输速率可达480MB/S,P它可以向低压设备提供5伏电源,同时可以减少PC机I/O接口数量。通用串行总线USB(universal serial bus)是由Intel、 Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom等7家世界着名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接口标准。它基于通用连接技术,实现外设的简单快速连接,达到方便用户、降低成本、扩展PC连接外设范围的目的。它可以为外设提供电源,而不像普通的使用串、并口的设备需要单独的供电系统。另外,快速是USB技术的突出特点之一,USB的传输率可达12Mbps比串口快100倍,比并口快近10倍,而且USB还能支持多媒体

  USB总线供电设备从USB总线获得能量。应用中,FT223-2H要求BUS(USB+5 V)调整到+3.3 V(使用一个LDO)供应给VCCIO,VPLL,VPHY和VREGIN。

  4.3 振荡器与E2PROM配置

  FT2232H与12 MHz±0.5%晶体振荡器的配置见图2,OSCI,OSCO与GND之间应增加电容器,这将有利于许多晶体振荡器使用。如果使用一个晶体、用平行式切断类型,还可使用一个12 MHz振荡器与FT2232H。在这种情况下,振荡器的输出将驱动OSCI,而OSCO断开。

  5 驱动软件

  当FT2232H转换器连接到主机时,必须在PC机上安装一个由FTDI提供的虚拟串行口 (VCP)驱动程序,使得用户能够通过一个PC机串行仿真端口标准与USB接口通信。外部设备的数据经其RS232接口输入到FT2232H转换模块,转换后的数据经PC的USB接口输入到PC中的VCP程序中,Win-dows应用程序通过VCP进行处理。开发人员将所需的产品PID,VID,设备驱动号和设备说明文字写入FT2232H自带的E2PROM,E2PROM中的各种信息必须按照一定的格式存储。

  另一种FTDI的USB驱动程序——D2XX驱动程序,能获得更好的数据传输性能。应用软件可通过一个DLL实现对FT2232H的读写。因此在编写程序时,只需调用FT2232 HDLL中的函数,便可完成对USB接口没备的读写操作。

  用户可根据需要选择不同的驱动程序访问FTDI设备。但需要注意,在应用软件开发使用过程中,同时只能使用一种驱动程序提供的接口,不能混用不同驱动程序提供的接口。

  6 与其他方案比较

  目前,在实际应用中,采用专用的USB-RS232双向转换器来实现USB-RS232接口的转换设计方案,是为简清的一种。尤其FT2232H,在原有专用转换器基础上,进一步优化。(1)FT2232H简单配置即可得到2个RS232串口。这样,通信模块与定位模块即可相互独立工作,完成信息的采集与传递;(2)FT2232H的发送缓冲器和接收缓冲器均达4 KB,是FT232BM,FT2232C等的10~30倍;(3)当配置为RS232 UART接口时,FT2232H数据传输速率大幅提高,可支持数据传输率达12 Mbaud:当配置为并行FIFO接口时,数据传输率高达25 Mb/s。

  7 结束语

  采用双向转换器FT2232H设计USB和RS232转换接口,不仅可用于对以RS232为通信通道设备的升级换代,也可直接用于新产品开发。在此基础上,利用FT2232H提供的引脚功能,还可方便设计出USB-RS422、USB-RS485转换器。


  
关键词:RS232USB

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