计算机接口结课论文-USB转RS232电路设计

1、USB转RS232电路设计1.USB 与 RS232概述USB概述USB，是英文Universal Serial Bus （通用串行总线）的缩写，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。USB插口通常由四个引脚组成，其中两个电源引脚，两个信号引脚，如图1.1。为了区别四根线，通常会用不同颜色标注各个引脚，如图1.2。图1.1 USB引脚示意图引脚编号信号名称缆线颜色1Vcc红2Rata-(D-)门3Data+(D+)绿

2、4Groundf * M图1.2引脚颜色从USB设备连回USB主机，称为上行连接；从 USB主机到设备的连接则称为下行连 接。为了防止回环情况的发生，上行和下行端口使用不同的连接器，A型连接头和B型连接头，如图1.3。其中，A型连接头用于上行连接，即在主机或集线器上有一个A型插座，USB设备上则是B型插座。采用这种连接方式，可以确保USB设备、主机/集线器和USB电缆始终以正确的方式连接，而不出现电缆接入方式出错，或者直接将两个USB设备连接到一起的情况。A型逹接头B型连接头图1.3连接形式USB的特点主要有：使用简单所用USB系统的接口一致，连线简单。系统可对设备进行自动检测和配置，支持热插

3、 拔。新添加设备系统不需要重新启动。应用范围广USB系统数据报文附加信息少，带宽利用率高，可同时支持同步传输和异步传输两种传输方式。一个 USB系统最多可支持127个物理设备。USB设备的带宽可从几 Kbps到几 Mbps甚至到几百兆。一个 USB系统可同时支持不同速率的设备，如低速的键盘、鼠标，全 速的ISDN、语音，高速的磁盘、图像等 (仅USB2.0版本支持高速设备)。较强的纠错能力USB系统可实时地管理设备插拔。在USB协议中包含了传输错误管理、错误恢复等功能，同时根据不同的传输类型来处理传输错误。总线供电USB总线可为连接在其上的设备提供5V电压/100mA电流的供电，最大可提供50

4、0mA的电流。USB设备也可采用自供电方式。低成本USB接口电路简单，易于实现，特别是低速设备。USB系统接口 /电缆也比较简单，成本比串口 /并口低。RS232 概述个人计算机上的通讯接口之一， 由电子工业协会(Electronic Industries Association ，EIA) 所制定的异步传输标准接口。 通常RS-232接口以9个引脚(DB-9)或是25个引脚(DB-25) 的型态出现，一般个人计算机上会有两组RS-232接口，分别称为 COM1和COM2。RS-232-C是美国电子工业协会 EIA (Electronic Industry Association )制定的一种

5、串行物 理接口标准。RS是英文 推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C总 线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232-C 标准规定的数据传输速率为50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400 波特。RS-232-C标准规定，驱动器允许有 2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例 如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为 15m;若每米电缆的电容量减小，通信

6、距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。具体通讯距离还与通信速率有关，例如，在9600pbs时，普通双绞屏蔽线时，距离可达30-35米。串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有几种。但都是在RS-232标准的基础上经过改进而形成的。所以，以RS-232C为主来讨论。RS-232C标准是美国EIA （电子工业联合会）与BELL等公司一起开发的1969年公布的通信协议。它适合于数据传输速率在020000b/s范围内的通信。这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电气特性都作了明确规定。由于通信设备

7、厂商都生产与RS-232C制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。首先，RS-232-C标准最初是远程通信连接数据终端设备DTE（Data Terminal Equipment ）与数据通信设备 DCE （ Data Communicate Equipment ）而制定的。因此这个标准的制定，并 未考虑计算机系统的应用要求。但目前它又广泛地被借来用于计算机（更准确的说，是计算机接口与终端或外设之间的近端连接标准）。显然，这个标准的有些规定和计算机系统是不一致的。有了对这种背景的了解，我们对RS-232C标准与计算机不兼容的地方就不难理解了。其次，RS-232C

8、标准中所提到的 发送”和接收”都是站在DTE立场上，而不是站在 DCE的立场来定义的。由于在计算机系统中，往往是 CPU和I/O设备之间传送信息，两者 都是DTE，因此双方都能发送和接收。它的缺点主要有接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接；（2）传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps;因此在CPLD开发板中，综合程序波特率只能采用19200,也是这个原因；（3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容 易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱；（4）传输距离有限，最大传输距离标准值为50英

9、尺，实际上也只能用在15米左右。【1】USB与RS232的比较RS-232与USB都是串行通信，但是两者在很多方面有诸多不同。RS-232是点对点连接，一个串口只能连接一个外设。RS-232的接口电路的信号电平较高，容易损坏接口电路的芯片，与TTL电路的电平也不兼容，影响其通用性。而USB是一种多点、高速的连接方式，采用集线器能实现更多的连接，而且供电较为 灵活。总的来说，USB是一种方便、灵活、简单、高速的总线结构。2 CH341T2.1 CH341T 概述CH341T是USB总线转接芯片。 当CH341T工作在异步串口模式时， CH341T提供串口 发送使能、串口接收就绪等交互式的速率控制

10、信号，用于为计算机扩展异步串口， 或者将普通的串口设备直接升级到 USB总线。CH341T内置了独立的收发缓冲区，支持单工、半双工或者全双工异步串行通讯。串行数据包括1个低电平起始位、5到9个数据位、1或2个高电平停止位，支持奇校验/偶校验/标志校验/空白校验。CH341T支持常用通讯波特率： 50、75、100、110、134.5、150、300、 600、 900、 1200、 1800、 2400、 3600、 4800、 9600、 14400、 19200、 28800、 33600、 38400、 56000、57600、76800、115200、128000、153600、230

11、400、460800、921600、1500000、2000000 等。串口发送信号的波特率误差小于 0.3%，串口接收信号的允许波特率误差不小于2%。在计算机端的 Windows操作系统下，CH341T的驱动程序能够仿真标准串口，所以绝大部分原串口应用程序完全兼容，通常不需要作任何修改。除此之外，CH341T还支持以标准的串口通讯方式间接访问 CH341T外挂的串行 EEPROM存储器。CH341T可以用于升级原串口外围设备，或者通过 USB总线为计算机增加额外串口。通过外加电平转换器件，可以进一步提供 RS232、RS485、RS422 等接口。2.2引脚功能介绍异步串口方式下 CH341

12、T芯片的引脚包括：数据传输引脚、硬件速率控制引脚、 工作状 态引脚、辅助引脚。 如图2.1。c#u # L CN Ur c UU F- N D sA#c DPCJ s L uD D MXIG GTTP s图2.1 CH341T引脚结构数据传输引脚包括：TXD引脚和RXD引脚。串口空闲时 TXD和RXD应该为高电平。 硬件速率控制引脚包括：TEN#引脚和RDY#引脚。TEN#是串口发送使能，当其为高电平时， CH341T将暂停从串口发送数据，直到TEN#为低电平才继续发送。RDY#引脚是串口接收就绪，当其为高电平时，说明CH341T还未准备好接收，暂时不能接收数据，有可能是芯片 正在复位、USB

13、尚未配置或者已经取消配置、或者串口接收缓冲区已满等。【2】工作状态引脚包括： TNOW引脚和ROV#引脚。TNOW以高电平指示 CH341T正在从串口 发送数据，发送完成后为低电平，在半双工串口方式下，TNOW可以用于指示串口收发切换状态。ROV#以低电平指示 CH341T内置的串口接收缓冲区即将或者已经溢出，后面的数 据将有可能被丢弃，正常情况下接收缓冲区不会溢出，所以ROV#应该为高电平。3 MAX2323.1 MAX232 概述MAX232芯片是美信（MAXIM ）公司专为 RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯 片，使用+5V单电源供电。MAX232是一种双组驱动器/接收器，片内含

14、有一个电容性电压 发生器以便在单5V电源供电时提供EIA/TIA-232-E电平。【3】它的主要特点有符合所有的RS-232C技术标准；只需要单一+5V电源供电；片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-;功耗低，典型供电设计USB转RS232串口的硬件连接图如图4.1所示。电流5mA ;内部集成2个RS-232C驱动器；高集成度，片外最低只需4个电容即可工作;内部集成两个RS-232C接收器。3.2 MAX232引脚功能介绍MAX232的引脚结构如图 3.1。rjvif.ru0V._f7C1+ 1伽 |_5_v-TT?ui 叵M闪XI AlMAX22i)V

15、cc1师J4T5;R加TFUCUK .滋TDIP/SOCWCrTAICE tuF)MH 5STTMAX22D_二川：上： 忑 -K 阪開职2321J0M1M辺MAX2 妙0.111G!ItCl!TTLCWOOJIPUTSJiadrams x賂L打讣閃 in th# full datrwt:苜-Y-VOLTASEKtaERJ0VTD-1WV-WUA&EHVSTTERE 仙f：,RS-22 UWTS亠2Jtwv图3.1 MAX232的引脚结构第一部分是电荷泵电路。由1-6引脚和4只电容构成。功能是产生 +12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7-14

16、引脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN ）、12脚（R1OUT）、11 脚（T1IN ）、14 脚（T1OUT）为第一数据通道。8 脚（R2IN ）、9 脚（R2OUT ）、 10脚（T2IN ）、7脚（T2OUT ）为第二数据通道。 TTL/CMOS数据从11引脚（T1IN ）、 10引脚（T2IN ）输入转换成 RS-232数据从14脚（T1OUT ）、7脚（T2OUT ）送到电脑DB9 插头；DB9插头的RS-232数据从13引脚（R1IN）、8引脚（R2IN ）输入转换成TTL/CMOS 数据后从12引脚（R1OUT ）、9引脚（R2OUT ）输出。第三部分是供电。15脚GND、1

17、6脚VCC（ +5V ）。4硬件电路0.1 pF12T/Jr12JG 4 700 pF 6vccV(m(II TGKDGXDID-or pFMAX2?210XRXD TXDTERvcc卜OV*C2-RI0RI1niTKISbrt=LL_140000rty图4.1 USB转RS232硬件电路图该硬件系统由 4部分组成：USB接口、CH341T、MAX232和RS232接口。其中，USB 接口用于连接USB主机，在此选用 USB总线接口的A型连接头；CH34仃 用于完成USB 接口转RS232接口的所有硬件功能；MAX232用于完成 RS232与TLL/CMOS 的电平转换；RS232接口用于连接

18、RS232设备。根据实际需要，选择目前广泛应用的DB9连接器。【5】USB总线包括一对5V电源线和一对数据信号线。 通常，+5V电源线为红色；接地线为黑色； D+信号线为绿色；D-信号线为白色。USB总线提供的电源电流最大可以达到500 mA，CH341T芯片可以直接使用 USB总线提供的5V电源。C3和C4是高频瓷片电容，C3容量 一般为4700pF0.02 用于CH341T内部电源节点的退耦；C4容量为0.1讥 用于外部电源的退耦。晶振X1、电容C1和C2用于时钟振荡电路。X1的频率是12 MHz , C1和C2 是容量为1530 pF的高频瓷片电容。MAX232提供电平转换。5电路测试连

19、接USB-RS232转换卡的计算机，必须安装 CH341T的驱动程序 CH341SER.EXE，当模块首次连接到计算机的USB端口时，计算机提示找到新硬件，按照提示完成驱动程序的安装。【7】安装完驱动程序后，可以通过计算机的 USB接口提供仿真串口。在逻辑功能方面， 使用方法与普通计算机串口完全相同，支持大多数常用的串口监控及调试工具程序，应用程序可以不做任何修改，可以像存取一个标准的物理串口一样访问这个虚拟串口，在保持软硬件兼容的前提下，将原串口产品转换为USB接口。图5.1就是利用 串口调试助手”软件对转换器进行通讯测试的结果如所示。测试过程中，转换器与计算机连接后虚拟端口为COM3，利用

20、RS232标准线缆将转换器与另一台计算机的COM1端口相连。【8】通讯采用的波特率为 9600,8位数据位，1位停止位，无校验位，2 个端口每隔1000 ms自动发送数据。由图3可见，该转换器能够在不同计算机的USB/RS232端口间进行可靠通讯。此外，采用2个转换器，可实现不同计算机间的USB通讯，经测试工作可靠。做好的实物如图 5.2所示。1 L 71ft,-检L显累+ A i*ltiK KJUi爲总片动賣E供出U 育出鸣口和f r +Ait* t. 7 t!4IF1t rrtflUpijir 礴护 久臨忙皿上丄ig id R-&Z1Z 10IQHOT ID 昭？c m 刖愆TOR12C

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