USB接口转换器的设计研究

USB接口转换器的设计研究

作者：郭锐添

来源：《科学与财富》2018年第17期

摘要：随着计算机产业的不断发展，高速、高性能的USB接口模式已逐步成为其主流外围接口。本研究设计了一种多功能的USB接口转换器，并就其总体设计、硬件设计以及软件设计进行了详细的介绍，实践表明，该转换器能够集成多种转换器的功能，具有广阔的应用前景。

关键词：USB；转换器；总体设计；硬件设计；软件设计

前言

USB总线具有即插即用，支持多种传输速率，总线供电，应用灵活及易于扩展的特点，从诞生至今已经十多年了。这十多年间，USB在不断完善，并走向成熟，得到了诸多厂商的认可。同时，随着USB应用领域的扩大，如何使USB的连接更加高效、便利，满足工业应用现场对多种接口间互相通信的需求，成为新的研究课题。下面，提出一种USB接口转换器的设计以及实现方式。

1.总体设计

在使用功能上，通过软硬件结合的方式，自动选择不同的接口转换类型，通信的波特率、数据位、校验方式可灵活配置。考虑到多功能USB接口转换器使用环境，外壳采用绝缘和防水防潮性能优良的ABS材质，体积尽量小巧，外形美观。每个外露的接口都要具备必要的防护，减少人体静电或外部导电体对设备的损坏。

2.硬件设计

多功能USB接口转换器的硬件电路包括电源、CPU、接口、配置四个组成部分。

2.1电源部分

多功能USB接口转换器使用时，插在便携式设备的主USB接口上。根据USB接口的相关规范，该主USB接口能够对外提供+5V/500mA的电源，可以作为多功能USB接口转换器的工作电源。+5V电源进入多功能USB接口转换器后，在接口处串联保险管，避免内部故障损坏便携式设备。多功能USB接口转换器中的芯片工作电源为+3.3V，在本设计中，采用LDO 器件SPX3819M5-3.3来实现+5V到+3.3V的转换。SPX3819M5-3.3是一种高性能的工业级低压差输出稳压芯片，为降低生产制造时对焊接工艺的要求，本设计选择5脚的SOT-23封装，该封装人工焊接和流水线自动贴装均可。输入电容和输出电容一般采用陶瓷贴片电容，容量为10μF和0.1μF，二者成对使用可以达到滤除纹波和高频毛刺的效果。

2.2CPU部分

多功能USB接口转换器的核心处理单元是一个最小的系统，包括核心CPU、电源引脚退耦电容、晶振、复位电路等。

1.核心CPU。核心CPU选用意法半导体公司的STM32F103RCT6，该芯片工作电压

+3.3V，具有5个UART口，满足转换器的多通信口需求，芯片封装为LQFP64，工作频率可达到64M，内部RAM容量为46K，内部FLASH容量为256K，有多个16位的定时器、SPI接口、I2C接口、I2S接口、CAN总线、AD/DA功能、PWM输出等。

2.3晶振电路

晶振电路是CPU正常工作必不可少的部分，为整个系统提供时序基准。虽然CPU的内部集成有RC晶振回路，但是精度不高，可满足对时序要求不是很苛刻的应用。本系统中，通信过程对时序的要求较高，因此使用外部晶振。CPU上电后，将外部晶振产生的震荡信号，通过内部的倍频锁相环电路，倍频到合适的高频，作为各种外设和看门狗模块的时钟源。

2.4复位电路

STM32F103RCT6芯片是低电平复位，由电阻和电容组成上电复位电路。设备上电后，

+3.3V通过电阻给电容充电，在上电瞬间，由于电容上电压不能突变，因此连接到电容的复位引脚为低电平，并持续到CPU的内核复位完成后，电容充满电，电容两端电压上升到系统电压+3.3V，系统进入正常工作状态。

2.5接口部分

转换器的对外通信接口有5个：主USB接口、RS232电平接口、RS485电平接口、无线接口、TTL电平接口。这些接口逻辑上分别对应CPU的UART1--UART5，通过内部程序进行软件映射，建立对应关系。

2.6主USB接口

主USB接口部分使用FT232RL芯片实现，该芯片内集成有EEPROM和主时钟发生器、3.3VZLDO调节器、复位发生器和USB终端电阻。芯片内部的两个双口FIFO缓冲区，用于USB数据和RS232数据的交换缓冲区，分别为128字节和256字节大小。本应用中使用RXD 和TXD两线制串口，与CPU的UART1口连接，USBDM和USBDP引脚连接到标准的USB 从机插座上，第17脚输出的电压作为I/O口电源，与第4脚的VCCIO相连。

2.7 RS232电平接口

RS232接口电平的转换使用MAX3232芯片来实现，该芯片提供2路的TTL-232转换电路，本设计选用其中的一路来实现功能需求。外围电路使用5个0.1μF的瓷片电容来完成倍压及电源退耦。在RS232线上串接电阻R4，R5对接口限流保护，连接器采用标准的DB9母头，2脚接收，3脚发送，5脚接地。

2.7 RS485电平接口

RS485接口具有优异的抗干扰性能，广泛在工业设备现场应用，在此选用比较主流的MAX3485芯片。接收和发送控制端由CPU的一个I/O口控制，并接下拉电阻，常态时出于接收状态，发送时由程序对该引脚拉高。在A，B两线上并接保护器件TVS1、TVS2，同时串接热敏电阻RT1、RT2，磁珠RCZ1、RCZ2，防止通讯线上的浪涌、静电和群脉冲信号对芯片造成损坏。

2.8无线（WL）接口

无线接口（WL）部分为一个TTL-WL的无线模块，与CPU通过UART口连接，空中的波特率和编码解码等由模块自身实现，无线模块提供电源（VCC）、地（GND）、发送（TXD）、接收（RXD）和复位（RST）5个引脚。使用无线接口进行数据通信，可以避免接线，在布线难度较大的环境中使用，有非常显著的优势。

2.9TTL接口

接口转换器的TTL电平接口是一个两芯的接线端子，CPU的UART口从引脚输出后，通过串联电阻直接与接线端子连接，这个接口用于对方设备是TTL电平接口的场合。

2.10转换类型配置部分

本部分电路采用拨码开关实现，拨码开关的一端接下拉电阻后，与CPU的I/O口连接，另外一端接+3.3V。通过拨动拨码开关，使得I/O口对应不同的高低电平，CPU程序判断这些不同的电平组合，在相应的接口之间切换，包括输出不同的数据格式：波特率、数据位、停止位、校验方式等。

3.软件设计

软件架构采用模块化，每一个功能模块相对独立，结构清晰，方便查错和以后的功能扩展。本设计的功能模块有：芯片初始化模块，用于对芯片进行基本配置，完成芯片初始化；USB接口芯片驱动模块，用于识别出USB接口，将通信虚拟为串口；配置类型识别模块，用于采样拨码开关的电平状态，形成参数类型组；UART接口驱动模块，用来配置UART接口参数，完成数据转发。软件开发环境选择Keil，该环境提供强大的开发支持，能够加速代码的编写过程。