计算机接口结课论文-USB转RS232电路设计

USB转RS232电路设计1.USB与RS232概述1.1USB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1.1USB引脚示意图图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。图1.3连接形式USB的特点主要有:(1)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，支持热插拔。新添加设备系统不需要重新启动。

(2)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)。

(3)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。

(4)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500mA的电流。USB设备也可采用自供电方式。

(5)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。

1.2RS232概述个人计算机上的通讯接口之一，由电子工业协会(ElectronicIndustriesAssociation，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（ElectronicIndustryAssociation）制定的一种串行物理接口标准。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0～20000b/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(DataTerminalEquipment）与数据通信设备DCE（DataCommunicateEquipment）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英尺，实际上也只能用在15米左右。【1】1.3USB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。2CH341T2.1CH341T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、230400、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CH341T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。图2.1CH341T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

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。3MAX2323.1MAX232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。3.2MAX232引脚功能介绍MAX232的引脚结构如图3.1。图3.1MAX232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。【4】第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5V）。4硬件电路设计USB转RS232串口的硬件连接图如图4.1所示。图4.1USB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；CH341T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4700pF~0.02μF，用于CH341T内部电源节点的退耦；C4容量为0.1μF，用于外部电源的退耦。【6】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15~30

pF的高频瓷片电容。MAX232提供电平转换。5电路测试连接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。图5.1通讯测试结果图5.2实物图6总结CH341T作为一种新型的、功能强大的USB接口转换芯片，可以工作在多种模式，且接线简单、控制方便、使用灵活，可满足用户的多种需求。【9】由于CH341T屏蔽了USB接口的底层协议，可以方便地在嵌入式系统中增加USB接口，无需电平转换器件，在驱动程序的控制下直接与PC机通讯，极大地方便了用户，缩短开发周期、减少研发费用。参考文献[1]边海龙.USB2.0设备的设计与开发[M].北京:人民邮电出版社，2004，1-3.

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基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现单片机嵌入式以太网防盗报警系统基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现单片机监测系统在挤压机上的应用MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用单片机在高楼恒压供水系统中的应用基于ATmega16单片机的流量控制器的开发基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的