與RS 232總線的數(shù)據(jù)傳輸速率相比，USB的傳輸速率高達480 Mb/s，因此很多計算機的RS 232串行接口都被USB接口所替換，但是很多儀器儀表、控制終端、遠程終端等設備的接口還是沿用RS 232。為解決兩個接口之間的轉換，設計并研制了USB-RS 232接口轉換卡。從USB和RS 232通信協(xié)議出發(fā)，詳細介紹USB-RS 232轉換卡的設計原理，并以CH341T芯片為例，設計并制作了USB-RS 232轉換卡。利用研制的USB-RS 232轉換卡連接具有RS 232接口的溫濕度傳感器，在運行監(jiān)控程序后，傳感器運行穩(wěn)定，能正確顯示溫濕度數(shù)據(jù)，且表明該轉換卡可成功地實現(xiàn)RS 232接口與USB接口的轉換。

　　1 USB-RS 232轉換卡的組成及其工作原理

　　1.1 組成

　　USB-RS 232轉換卡的設計原理框圖如圖1所示，由USB接口模塊、UART接口模塊、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和協(xié)議控制單元組成。各部分功能如下：

　　USB接口模塊 主要提供與USB總線的連接，它需要實現(xiàn)一般USB設備接口的所有功能，以實現(xiàn)與USB主機的數(shù)據(jù)傳輸。

　　UART接口模塊 實現(xiàn)標準的RS 232接口的所有功能，以實現(xiàn)與標準RS 232接口的連接。

　　協(xié)議控制單元 通過接收USB接口的命令，對UART接口進行配置(如配置通信波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位、停止位、數(shù)據(jù)量控制信號等)。

　　數(shù)據(jù)緩沖區(qū) 用來臨時保存雙方數(shù)據(jù)傳輸過程中的數(shù)據(jù)。

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　　1.2 工作原理

　　下面以計算機與外設的數(shù)據(jù)傳輸為例，介紹USB-RS 232轉換卡的工作原理：

　　當USB-RS 232轉換卡連接到USB總線上時，計算機檢測到設備的連接后對設備進行初始化配置并啟動相關的客戶驅動程序;驅動程序給設備發(fā)送配置命令以設置RS 232接口的數(shù)據(jù)傳輸特性;最后，在數(shù)據(jù)傳輸時，計算機上的驅動程序首先將數(shù)據(jù)包傳輸給USB接口，USB接口讀出實際的有效數(shù)據(jù)并保存在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，UART接口則從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中將數(shù)據(jù)取走并發(fā)送給設備。

　　2 USB-RS 232轉換卡的設計

　　2.1 協(xié)議轉換模塊的設計

　　根據(jù)原理框圖，選擇恰當?shù)膮f(xié)議轉換模塊是設計該卡的關鍵。設計轉換卡的方法有好幾種：一種方法是采用通用的USB控制器，利用其內置的通用異步收發(fā)器(UART)在USB與RS 232之間進行信號轉換，例如EZ-USB，PIC16C745，CY7C63001等，若沒有內置UART，也可以利用通用I/O接口模擬RS 232的收發(fā)過程;另外還可以采用單獨的USB接口收發(fā)器芯片，如ISP1581，PDI-USBD11/12等，但這種方法需要另配微控制器才能工作;第三種就是采用專用的USB與RS 232轉換芯片，如CH341芯片，這種芯片的優(yōu)點是數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的協(xié)議轉換工作全部由芯片獨立完成，無需干預，也不用編寫芯片的固件。本文采用CH341的簡裝版CH341T來設計USB-RS 232轉換卡。圖2是一個利用CH341T和MAX232進行USB接口設計的硬件框圖。如圖所示，該硬件系統(tǒng)由4部分組成：USB接口、CH341T、MAX232和RS 232接口。其中，USB接口用于連接USB主機，在此選用USB總線接口的A型連接頭;CH341T用于完成USB接口轉RS 232接口的所有硬件功能;MAX232用于完成RS 232與TLL/CMOS的電平轉換;RS 232接口用于連接RS 232設備。根據(jù)實際需要，選擇目前廣泛應用的DB9連接器。

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　　2.2 硬件電路設計

　　設計USB轉RS 232串口的硬件連接圖如圖3所示。USB總線包括一對5 V電源線和一對數(shù)據(jù)信號線。通常，+5 V電源線為紅色;接地線為黑色;D+信號線為綠色;D-信號線為白色。USB總線提供的電源電流最大可以達到500 mA，CH341T芯片可以直接使用USB總線提供的5 V電源。C3和C4是高頻瓷片電容，C3容量一般為4 700 pF～0.02 μF，用于CH341T內部電源節(jié)點的退耦;G容量為0.1μF，用于外部電源的退耦。晶振X1、電容C1和C2用于時鐘振蕩電路。X1的頻率是12 MHz，C1和C2是容量為15～30 pF的高頻瓷片電容。MAX232提供電平轉換。

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　　2.3 驅動程序

　　連接USB-RS 232轉換卡的計算機，必須安裝CH341T的驅動程序CH341SER.EXE，當模塊首次連接到計算機的USB端口時，計算機提示找到新硬件，按照提示完成驅動程序的安裝。

　　安裝完驅動程序后，可以通過計算機的USB接口提供仿真串口。在邏輯功能方面，使用方法與普通計算機串口完全相同，支持大多數(shù)常用的串口監(jiān)控及調試工具程序，應用程序可以不做任何修改，可以像存取一個標準的物理串口一樣訪問這個虛擬串口，在保持軟硬件兼容的前提下，將原串口產(chǎn)品轉換為USB接口。

　　3 板卡性能測試方法及其結果

　　3.1 設備驅動層通信功能測試

　　USB-RS 232轉換卡的性能需要借助可靠的工具來進行測試。利用CH341芯片制造商提供的USB測試程序進行調試，點擊搜索CH341串口，出現(xiàn)CH341的串口號為“COM3”的字樣(因為目前電腦上已經(jīng)有兩個串口)，這說明USB-RS 232設備已經(jīng)成功連接到計算機上。

　　3.2 應用層通信功能測試

　　本文利用具有RS 232接口的網(wǎng)絡型溫濕度傳感器來進行測試，該傳感器通過本文研制的USB-RS 232轉換卡連接，該卡一端接傳感器，一端接計算機。在圖4下設置串口的端口號以及幀格式，保證傳感器與計算機的協(xié)議設置是一致的。設置好相關參數(shù)后，把傳感器接到轉換卡上，運行傳感器測試程序后出現(xiàn)如圖5的畫面，經(jīng)長時間拷機后傳感器工作正常，這說明RS 232接口的外設(溫濕度傳感器)經(jīng)過USB-RS 232轉換卡可以在USB接口上使用，也說明該轉換卡實現(xiàn)了RS 232協(xié)議到USB協(xié)議的轉換。

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　　4 使用和調試中的關鍵問題

　　4.1 操作系統(tǒng)識剮不到轉換卡

　　USB-RS 232轉換卡是即插即用的USB設備，正在使用轉換卡進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，不可以將其物理斷開，必須在應用程序關閉該串口后，轉換卡才可以從USB插座中拔出。如果在應用程序使用轉換卡的過程中，轉換卡從USB插座中斷開，那么應用程序應該盡快關閉轉換卡并退出(關閉及退出可能需要數(shù)秒時間)。如果在轉換卡通信過程中發(fā)生錯誤，極有可能是轉換卡已經(jīng)物理斷開，所以在檢測到錯誤后建議關閉轉換卡，稍等2 s后再重新打開串口通信。采用設備事件通知的方法可以及時了解轉換卡的連接與斷開，從而使串口應用程序能夠及時打開和關閉轉換卡。

　　4.2 傳輸數(shù)據(jù)丟失

　　如果通信波特率較高，建議設置較大的緩沖區(qū)，尤其在windows 98/ME下，線程調度能力和USB實時性都比Windows 2000/XP差，如果串口接收緩沖區(qū)較小，那么在通信波特率較高時，接收大量數(shù)據(jù)會導致串口緩沖區(qū)溢出而丟棄數(shù)據(jù)。由于底層的USB是將多個字節(jié)組成數(shù)據(jù)包后安插到各個1 ms幀中進行傳輸?shù)?，所以有可能將串口收發(fā)的相鄰的兩個字節(jié)實際分割在兩個USB數(shù)據(jù)包，甚至兩個USB幀中，在最壞情況下這兩個字節(jié)在時間上有可能相隔1 ms甚至2 ms。

　　5 結語

　　本文詳細介紹了USB-RS 232轉換卡的設計原理，成功設計了以CH341T為例的USB-RS 232轉換卡。經(jīng)過調試和試用，轉換卡運行正常，成功實現(xiàn)了RS 232接口設備與USB總線的數(shù)據(jù)傳輸。轉換卡體積小，成本低。使用方便，性能可靠，傳統(tǒng)的RS 232串口設備無需做任何改動即可通過USB口使用。該轉換卡順應市場需要，可以廣泛應用在日常生活與生產(chǎn)實踐中，如：筆記本電腦(大多數(shù)新一代筆記本電腦往往沒有RS232的9針串口，卻有4個USB口)、Modem、數(shù)碼相機、條碼掃描器、刷卡器、磁卡讀寫器、手機傳輸線、掌上電腦、標簽打印機、POS系統(tǒng)、工業(yè)自動化控制機械、安全門禁系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集器等。通過USB-RS 232轉換卡，這些設備都能在RS 232串口和USB口之間非常容易地建立可靠的連接，通過利用USB接口即插即用和熱插拔的能力給這些RS 232串口設備提供非常容易使用的環(huán)境，并大大提高傳輸速率。