TUSB3410 USB 轉(zhuǎn)串口控制器：功能特性與設(shè)計(jì)要點(diǎn)解析

在當(dāng)今的電子設(shè)備連接領(lǐng)域，USB 接口與串口設(shè)備之間的通信需求日益增長。TUSB3410 作為一款 USB 轉(zhuǎn)串口控制器，為這一需求提供了有效的解決方案。本文將深入探討 TUSB3410 的功能特性、技術(shù)規(guī)格以及設(shè)計(jì)應(yīng)用中的關(guān)鍵要點(diǎn)。

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一、設(shè)備概述

1.1 功能特性

TUSB3410 具有眾多出色的特性，使其在 USB 轉(zhuǎn)串口應(yīng)用中表現(xiàn)卓越。它完全符合 USB 2.0 全速規(guī)范，支持 12-Mbps 的 USB 數(shù)據(jù)速率，同時支持 USB 掛起、恢復(fù)和遠(yuǎn)程喚醒操作。它還可配置為總線供電和自供電模式，提供了靈活的電源選項(xiàng)。

在通信端點(diǎn)方面，TUSB3410 支持總共三個輸入和三個輸出（中斷、批量）端點(diǎn)。此外，它集成了 8052 微控制器，具備 256 × 8 RAM 用于內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲，10K × 8 ROM（帶有 USB 和 I2C 引導(dǎo)加載程序），16K × 8 RAM 可從主機(jī)或 I2C 端口加載代碼，2K × 8 共享 RAM 用于數(shù)據(jù)緩沖和端點(diǎn)描述符塊（EDB），并且擁有主 I2C 控制器用于 EEPROM 設(shè)備訪問。MCU 以 24 MHz 運(yùn)行，提供 2-MIPS 的操作能力，還配備了 128-ms 看門狗定時器，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

其增強(qiáng)的 UART 特性也十分突出，支持軟件和硬件流控制，具備自動 RS - 485 總線收發(fā)器控制（帶或不帶回顯），可選擇 IrDA 模式實(shí)現(xiàn)高達(dá) 115.2-kbps 的傳輸，軟件可選擇從 50 BPS 到 921.6 kbps 的波特率，可編程的串行接口特性包括 5 - 8 位字符、奇偶校驗(yàn)位生成和檢測、1 - 2 個停止位生成、線路中斷生成和檢測、內(nèi)部測試和回環(huán)功能、調(diào)制解調(diào)器控制功能以及內(nèi)部診斷能力等。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

TUSB3410 的應(yīng)用范圍廣泛，涵蓋了調(diào)制解調(diào)器、打印機(jī)、手持設(shè)備等外設(shè)，還可用于醫(yī)療儀表、DSP 和 μC 接口等領(lǐng)域，為不同類型的設(shè)備提供了 USB 與串口之間的橋梁。

1.3 設(shè)備描述

TUSB3410 實(shí)現(xiàn)了 USB 端口與增強(qiáng)型 UART 串口之間的橋接。它包含一個 8052 微控制器單元（MCU），其 16KB 的 RAM 可從主機(jī)或通過 I2C 從外部板載內(nèi)存加載。10KB 的 ROM 允許 MCU 在啟動時配置 USB 端口，并且 ROM 代碼中包含 I2C 引導(dǎo)加載程序。所有設(shè)備功能，如 USB 命令解碼、UART 設(shè)置和錯誤報(bào)告，都由內(nèi)部 MCU 固件與 PC 主機(jī)協(xié)同管理。

二、技術(shù)規(guī)格

2.1 絕對最大額定值

在工作自由空氣溫度范圍內(nèi)，TUSB3410 的電源電壓（VCC）范圍為 -0.5 至 3.6 V，輸入電壓（VI）和輸出電壓（VO）范圍為 -0.5 至 VCC + 0.5 V，輸入鉗位電流（IIK）和輸出鉗位電流（IOK）最大為 ±20 mA，存儲溫度在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)下為 -65 至 150 °C，標(biāo)準(zhǔn)下為 -55 至 150 °C。需要注意的是，超出這些絕對最大額定值的應(yīng)力可能會對設(shè)備造成永久性損壞。

2.2 ESD 評級

TUSB3410 在靜電放電（ESD）性能方面表現(xiàn)良好，人體模型（HBM）的 ESD 評級為 ±2000 V，帶電設(shè)備模型（CDM）的 ESD 評級為 ±500 V。

2.3 推薦工作條件

推薦的電源電壓（VCC）為 3 至 3.6 V，典型值為 3.3 V。輸入電壓（VI）范圍為 0 至 VCC，高電平輸入電壓（VIH）在 TTL 模式下為 2 至 VCC，CMOS 模式下為 0.7 × VCC 至 VCC，低電平輸入電壓（VIL）在 TTL 模式下為 0 至 0.8 V，CMOS 模式下為 0 至 0.2 × VCC。工作溫度在商業(yè)范圍內(nèi)為 0 至 70 °C，工業(yè)范圍內(nèi)為 -40 至 85 °C。

2.4 熱信息

TUSB3410 在不同封裝下具有不同的熱性能指標(biāo)。以 VQFN（32）和 LQFP（32）封裝為例，結(jié)到環(huán)境的熱阻（RθJA）分別為 32.1 和 70.5 °C/W，結(jié)到外殼（頂部）的熱阻（RθJC(top)）分別為 24.6 和 31.4 °C/W，結(jié)到電路板的熱阻（RθJB）分別為 6.5 和 28.3 °C/W 等。

2.5 電氣特性

在 (T{A}=25^{circ} C)，(V{C C}=3.3 ~V pm 5 %)，(V_{SS}=0 ~V) 的條件下，TUSB3410 的高電平輸出電壓（VOH）在 TTL 模式下為 VCC - 0.5，CMOS 模式下為 VCC - 0.5 V；低電平輸出電壓（VOL）在 TTL 和 CMOS 模式下均為 0.5 V。輸入電容（CI）為 18 pF，輸出電容（CO）為 10 pF，時鐘占空比為 50%，抖動規(guī)格為 ±100 ppm 等。

2.6 時序和開關(guān)特性

2.6.1 喚醒時序

TUSB3410 可以通過主機(jī)命令從掛起狀態(tài)喚醒，也支持遠(yuǎn)程喚醒。低脈沖在 WAKEUP 端子或 RI/CP 端子的低到高轉(zhuǎn)換可以喚醒設(shè)備。為了確保可靠操作，任一條件必須持續(xù)至少約 3 - ms，以便晶體有時間上電。

2.6.2 復(fù)位時序

復(fù)位信號時序有三個要求。首先，最小復(fù)位脈沖持續(xù)時間為 100 μs，在電源上電時，從電源上升到標(biāo)稱 (V_{CC}) 的 90% 到復(fù)位信號超過 1.2 V 開始測量。其次，時鐘必須在復(fù)位窗口的最后 60 μs 內(nèi)有效。最后，根據(jù) USB 規(guī)范，設(shè)備必須在 100 ms 內(nèi)準(zhǔn)備好響應(yīng)主機(jī)。建議設(shè)備在 30 ms 內(nèi)退出復(fù)位，以便有 70 ms 用于其他事件完成，即復(fù)位信號必須在 30 ms 內(nèi)上升到 1.8 V。

三、詳細(xì)功能描述

3.1 數(shù)據(jù)傳輸與模式

TUSB3410 實(shí)現(xiàn)了 USB 與 UART 之間的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)從主機(jī)通過 USB OUT 命令流向 TUSB3410 設(shè)備，然后從 SOUT 線輸出；反之，數(shù)據(jù)從 SIN 線流入 TUSB3410 設(shè)備，再通過 USB IN 命令流入主機(jī)。

3.2 功能模式

3.2.1 USB 接口配置

TUSB3410 板載的 ROM 微代碼使 MCU 能夠?qū)⒃O(shè)備枚舉為 USB 外設(shè)。ROM 微代碼還可以從外部內(nèi)存通過 I2C 總線或從主機(jī)通過 USB 將應(yīng)用代碼加載到內(nèi)部 RAM 中。在外部內(nèi)存情況下，復(fù)位后設(shè)備斷開與 USB 的連接，檢查 I2C 端口的有效代碼，若找到則上傳代碼到 RAM 程序空間，然后連接到 USB 進(jìn)行枚舉和配置；若未找到有效代碼，則連接到 USB 進(jìn)行枚舉和默認(rèn)配置，主機(jī)可下載額外的微代碼到 RAM 進(jìn)行定制應(yīng)用。

3.2.2 USB 數(shù)據(jù)移動

從 USB 角度看，TUSB3410 像一個 USB 外設(shè)設(shè)備，使用端點(diǎn)零作為控制端點(diǎn)，可配置多達(dá)三個輸入和三個輸出端點(diǎn)。大多數(shù)數(shù)據(jù)通過片上 DMA 傳輸在 USB 端和 UART 端之間移動，特殊情況可能使用 MCU 控制的編程 I/O。

3.2.3 串口設(shè)置

串口需要寫入一些控制寄存器來配置其操作，這些寄存器通常由主機(jī)應(yīng)用程序控制，包括控制串行字格式的線路控制寄存器和控制波特率的除數(shù)寄存器。

3.2.4 串口數(shù)據(jù)模式

串口可配置為三種不同的數(shù)據(jù)模式：RS - 232 數(shù)據(jù)模式、RS - 485 數(shù)據(jù)模式和 IrDA 數(shù)據(jù)模式。

• RS - 232 數(shù)據(jù)模式：默認(rèn)模式，用于全雙工通信，調(diào)制解調(diào)器控制輸出（RTS 和 DTR）可與調(diào)制解調(diào)器通信或作為通用輸出，調(diào)制解調(diào)器控制輸入（CTS、DSR、DCD 和 RI/CP）可與調(diào)制解調(diào)器通信或作為通用輸入，還支持軟件和硬件流控制。
• RS - 485 數(shù)據(jù)模式：與 RS - 232 模式類似，但由于 RS - 485 是總線架構(gòu)，為半雙工通信系統(tǒng)。TUSB3410 在該模式下控制 RTS 和 DTR 信號以啟用 RS485 驅(qū)動器或接收器，支持軟件流控制，但硬件流控制效果不佳。
• IrDA 數(shù)據(jù)模式：該模式按照 IrDA 標(biāo)準(zhǔn)對 SOUT 進(jìn)行編碼，對 SIN 進(jìn)行解碼，最高傳輸速率為 115.2 kbps，通常為全雙工通信，一般僅連接 SOUT 和 SIN 路徑，支持軟件流控制。

3.3 處理器子系統(tǒng)

3.3.1 DMA 控制器

DMA 控制器通過 EDB 進(jìn)行批量數(shù)據(jù) I/O。在 IN 事務(wù)（TUSB3410 到主機(jī)）中，MCU 初始化 IEDB 和 DMA 寄存器，DMA 從 UART 向 X 緩沖區(qū)傳輸數(shù)據(jù)，完成 64 字節(jié)塊傳輸后更新字節(jié)計(jì)數(shù)并通知 UBM，然后交替在 X 和 Y 緩沖區(qū)傳輸數(shù)據(jù)。傳輸終止可能由于主機(jī)通知停止、部分?jǐn)?shù)據(jù)包、緩沖區(qū)溢出或 UART 錯誤條件等情況。在 OUT 事務(wù)（主機(jī)到 TUSB3410）中，MCU 初始化 OEDB 和 DMA 寄存器，UBM 將數(shù)據(jù)從主機(jī)傳輸?shù)?X 緩沖區(qū)，DMA 再將數(shù)據(jù)從 X 緩沖區(qū)傳輸?shù)?UART，同樣交替在 X 和 Y 緩沖區(qū)進(jìn)行傳輸，傳輸終止條件與 IN 事務(wù)類似。

3.3.2 UART

UART 數(shù)據(jù)傳輸通過 DMA 控制器和 USB 緩沖區(qū)管理器（UBM）實(shí)現(xiàn)。UART 通道有 512 字節(jié)的緩沖區(qū)用于緩沖傳輸和接收數(shù)據(jù)，具有 64 字節(jié)的雙緩沖區(qū)空間（X 和 Y 緩沖區(qū)）。DMA 工作在連續(xù)模式下，與 UBM 交替在 X 和 Y 緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3.3.3 I2C 端口

I2C 端口支持隨機(jī)讀取、當(dāng)前地址讀取、順序讀取、字節(jié)寫入和頁寫入操作。在不同操作中，MCU 通過設(shè)置 I2C 相關(guān)寄存器來控制數(shù)據(jù)傳輸和停止條件，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確讀寫。

3.4 內(nèi)存管理

3.4.1 MCU 內(nèi)存映射

MCU 內(nèi)存映射在引導(dǎo)和正常操作模式下有所不同。在引導(dǎo)模式（SDW = 0）下，10K ROM 映射到地址（0x0000 - 0x27FF）并在（0x8000 - 0xA7FF）重復(fù)，16K RAM 映射到數(shù)據(jù)空間（0x0000 - 0x3FFF）；在正常模式（SDW = 1）下，10K ROM 映射到（0x8000 - 0xA7FF），16K RAM 映射到代碼空間（0x0000 - 0x3FFF）。

3.4.2 寄存器

TUSB3410 包含多種寄存器，如 ROMS 寄存器用于切換引導(dǎo)模式和正常操作模式，提供設(shè)備修訂號和 ROM/RAM 配置；WDCSR 寄存器用于控制和監(jiān)視看門狗定時器等。

3.4.3 緩沖區(qū) + I/O RAM 映射

地址范圍從 F800h 到 FFFFh（2K 字節(jié)）用于數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、設(shè)置包、端點(diǎn)描述符塊（EDB）和所有 I/O。不同的地址范圍分配給不同的功能，如內(nèi)部 MMRs、EDB、設(shè)置包、輸入和輸出端點(diǎn)緩沖區(qū)以及數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等。

3.4.4 端點(diǎn)描述符塊（EDB）

提供三個輸入和三個輸出 EDB，每個 EDB 包含 X 和 Y 緩沖區(qū)的信息以及一般狀態(tài)信息。不同的端點(diǎn)寄存器定義了緩沖區(qū)的大小、字節(jié)計(jì)數(shù)、基地址和配置等。

3.4.5 USB 寄存器

USB 寄存器包括 FUNADR 寄存器用于存儲設(shè)備功能地址，USBSTA 寄存器用于指示 USB 狀態(tài)，USBMSK 寄存器用于屏蔽 USB 中斷，USBCTL 寄存器用于控制 USB 連接和操作模式等。

3.4.6 DMA 控制器寄存器

DMA 控制器有兩個通道用于主機(jī)與 UART 之間的數(shù)據(jù)傳輸，分別為 DMA - 1（主機(jī)到 UART）和 DMA - 3（UART 到主機(jī)）。每個通道可以指向三個 EDB 之一，并根據(jù) DMA 寄存器的設(shè)置進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3.4.7 UART 寄存器

UART 寄存器用于數(shù)據(jù) I/O、控制和狀態(tài)信息，包括接收器數(shù)據(jù)寄存器（RDR）、發(fā)送器數(shù)據(jù)寄存器（TDR）、線路控制寄存器（LCR）、流量控制寄存器（FCRL）等。

3.4.8 擴(kuò)展 GPIO 端口

TUSB3410 有四個通用 I/O 端子（P3.0、P3.1、P3.3 和 P3.4），由運(yùn)行在 MCU 上的固件控制。每個端子可以獨(dú)立控制，具有 12 - mA 推挽 CMOS 輸出和 3 - 態(tài)控制，輸入可通過 MOV 指令讀取，輸出可通過 SETB 和 CLR 指令設(shè)置。

3.4.9 中斷

TUSB3410 保留了 8052 標(biāo)準(zhǔn)的五個中斷源，額外的中斷源通過 OR 操作生成 EX0。向量中斷寄存器（VECINT）用于識別所有中斷源，MCU 負(fù)責(zé)讀取向量并調(diào)度到適當(dāng)?shù)闹袛喑绦颉?/p>

3.4.10 I2C 寄存器

I2C 寄存器包括 I2CSTA 寄存器用于控制讀寫操作的停止條件，I2CADR 寄存器用于存儲設(shè)備地址和讀寫命令位，I2CDAI 寄存器用于存儲從外部設(shè)備接收的數(shù)據(jù)，I2CDAO 寄存器用于存儲要傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備的數(shù)據(jù)。

3.5 引導(dǎo)模式

TUSB3410 的引導(dǎo)代碼嵌入在 10k 字節(jié)的引導(dǎo) ROM 中，可從外部 I2C 內(nèi)存設(shè)備或 USB 主機(jī)引導(dǎo)加載程序設(shè)備驅(qū)動加載應(yīng)用固件。引導(dǎo)代碼在初始化 I2C 和 USB 寄存器及內(nèi)部變量后，檢查 I2C 設(shè)備是否存在有效簽名，若存在則加載定制描述符和固件，否則連接到 USB 等待主機(jī)驅(qū)動下載固件。

四、應(yīng)用、實(shí)現(xiàn)與布局

4.1 應(yīng)用信息

TUSB3410 可作為基本的 USB 到 UART 橋接器，實(shí)現(xiàn) PC 與任何串行設(shè)備通過 USB 端口的通信。

4.2 典型應(yīng)用

典型應(yīng)用的設(shè)計(jì)參數(shù)包括 3.3 V 的 VCC 電源、1.8 V 的 VDD1/8 電源、支持 HS 和 FS 的上游 USB 端口、RS - 232 收發(fā)器和 12 MHz 的 XTAL。詳細(xì)設(shè)計(jì)過程包括上游端口實(shí)現(xiàn)（將 USB - 2.0 連接器的 VBUS 連接到 3.3 - V 電壓調(diào)節(jié)器，再通過電壓分壓器生成 1.8 V 電源）、晶體實(shí)現(xiàn)（使用 12 - MHz 平行諧振晶體，通過電容實(shí)現(xiàn) 18 - pF 負(fù)載）、RS - 232 實(shí)現(xiàn)（所有串行數(shù)據(jù)和控制信號通過 RS - 232 驅(qū)動器連接到 DB9 連接器）和電源實(shí)現(xiàn)等。

4.3 布局

在 PCB 設(shè)計(jì)中，需要關(guān)注高速信號的布局。關(guān)鍵信號如 USB 2.0 差分對（DP 和 DM）等需要遵循特定的布線和放置準(zhǔn)則，如最小化走線長度、避免過孔和拐角、保持信號間距等，以減少信號干擾和電磁干擾。

4.4 電源供應(yīng)建議

TUSB3410 需要 3.3 V 和 1.8 V 的數(shù)字電源，每個電源端子需要 0.1 - μF 的旁路電容到地，同時建議使用 0.01 - μF 的小電容。內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器在 VREGEN 為低時生成 1.8 V 電源，VREGEN 為高時需要外部提供 1.8 V 電源。

4.5 晶體選擇

TUSB3410 需要 12 - MHz 的時鐘源，建議使用平行諧振晶體，通過電容實(shí)現(xiàn) 18 - pF 的負(fù)載要求。使用晶體時，上電后約 2 ms 可產(chǎn)生穩(wěn)定時鐘；使用時鐘振蕩器時，X1/CLKI 端子的信號不得超過 1.8 V，X2 端子不連接。

4.6 外部電路

為了確保