隨著社會的發(fā)展,，USB通用串行總線憑借其傳輸速度快、接口靈活,、支持熱插熱拔以及具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性等特點(diǎn)在計(jì)算機(jī)接口以及終端電子產(chǎn)品中占據(jù)著主導(dǎo)地位,，USB接口有逐漸取代其他標(biāo)準(zhǔn)接口的趨勢。然而工業(yè)以及民用大量采用RS422傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備裝置,，RS422采用雙平衡差分信號傳輸,，所有傳輸距離最大可以達(dá)到1200m，這給工業(yè)用途帶來了極大的便利,，不足之處在于傳輸速度慢,，這給很多傳統(tǒng)的以RS422為通信接口的外圍設(shè)備面臨著巨大的考驗(yàn)。而USB卻能彌補(bǔ)這些缺點(diǎn),，因此,，結(jié)合USB的總線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)RS422與USB接口的轉(zhuǎn)換器勢在必行。
然而,，一般計(jì)算機(jī)提供的串行接口有限,，當(dāng)串行設(shè)備數(shù)量增加時(shí)，端口的短缺問題將給用戶帶來極大的不便,，針對這種情況,，本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，利用FTDI公司的FT4232H芯片,，通過簡單的外圍電路來設(shè)計(jì)一路USB轉(zhuǎn)4路RS422的轉(zhuǎn)換器,。
1 總體設(shè)計(jì)方案
本設(shè)計(jì)開始時(shí)有兩種方案可供選擇：1)在USB前端利用USB HUB芯片,，先把單路USB轉(zhuǎn)換成四路USB信號，再通過USB到RS422單路轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)：2)直接采用USB到UART接口轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn),。兩種方案原理上差別不大,，各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，前一種各路相對比較獨(dú)立,，電路調(diào)試簡單,，但性能不好，體積大,，而且成本要求相對來說高,；后一種方案對電路的調(diào)試相對比較復(fù)雜，而且需要額外的EEPROM,，但性能較好,、體積小并且成本較低，綜合考慮,，本文采用第二種方案,。
系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。USB的一大優(yōu)點(diǎn)是可以提供500mA的5V電源,，因此,，設(shè)計(jì)時(shí)可以采用總線供電。信號通過FT4232H接口芯片,，內(nèi)部處理后轉(zhuǎn)換成4路接口信號,。4路相同的信號，通過光電隔離后再經(jīng)過RS422電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為RS422信號,。光電隔離芯片是6N137,，由于光電隔離左右端電源要求隔離，所以采用DC-DC芯片F(xiàn)0505S-1WR,，電平轉(zhuǎn)換芯片采用的是SP491,，8位移位寄存器采用的是SN74HCT595，主要是用來顯示各路的發(fā)送接收狀態(tài),，而串行EEPROM采用的是93C46B,，用來對數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的存儲。
2 主要芯片介紹
2.1 FT4232H
FF4232H芯片是由FIDI(Future Technology Devices International)公司生產(chǎn)的,，專門用于USB到RS232/RS485/RS422之間的電平轉(zhuǎn)換芯片,，數(shù)據(jù)收發(fā)和協(xié)議轉(zhuǎn)換工作全由芯片獨(dú)立完成，無需人工干預(yù),，不用編寫芯片的固件,，給設(shè)計(jì)者帶來了極大的便利。利用該芯片只需要加少量的外圍電路就可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。
2.1.1 FT4232H的特點(diǎn)
和同類產(chǎn)品相比,，F(xiàn)T4232H的主要特點(diǎn)如下：
1)單芯片到4路串口的轉(zhuǎn)換,，整個(gè)接口協(xié)議中芯片內(nèi)部固化，無需外加的編程,；
2)支持480Mb/s USB 2.0的高速規(guī)范,，并可在各種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的串行或并行接口(例如UART或FIFO)下進(jìn)行配置；
3)提供四種可配置的接口,，F(xiàn)T4232H的其中兩個(gè)接口可配置為UART,、JTAG、SPI,、I2C或帶獨(dú)立波特率發(fā)生器的位響應(yīng)模式串口,，F(xiàn)T4232H的另外兩個(gè)接口具有UART功能或位響應(yīng)功能；
4)配置為RS-232/-422/-485 UART接口時(shí),，這兩個(gè)器件均可支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率達(dá)12MB/s,；
5)通過外接EEPROM，可以提供自己產(chǎn)品的VID,、PID,、設(shè)備序列號以及設(shè)備相關(guān)的說明文字；
6)雙端口2k字節(jié)的發(fā)送和接收緩沖單元,；
7)支持UART7/8Bit數(shù)據(jù)位,，1/2停止位，奇偶校驗(yàn),，Mark/Space校驗(yàn)或無校驗(yàn),；
8)支持異步串行UART接口滿硬件握手信號，調(diào)制接口信號,，硬件及Xon/Xoff流量控制；
9)高集成+1.8V低壓差線性電壓輸出,，以及集成12～480MHz頻率合成,；
10)集成了電平轉(zhuǎn)換器，I/O口電平支持5～3.3V電平邏輯,；
11)具有低功耗,、高速度的特性，為工業(yè)級溫度范圍：-40～+85℃,。
3 主要內(nèi)容
3.1 硬件電路
整個(gè)系統(tǒng)的供電來源于USB接口的+5V,；因此芯片工作在USB總線供電模式，典型電路如圖2所示,，采用標(biāo)準(zhǔn)的USB接口P1,，F(xiàn)T4232H提供了標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)送TX和接收RX引腳輸出輸入線，因此與外設(shè)的連接方式非常靈活、方便,。跟RS422的連接方式如圖中所示,，為方便只給出了發(fā)送和接收兩組差分信號線，通過PWREN#和SUSPEND#的輸出來控制信號的發(fā)送和接收,。圖中94C46是一片串行的EEPROM,，用于存儲產(chǎn)品的VID、PID,、設(shè)備序列號以及與設(shè)備相關(guān)的文字說明,，芯片的容量大小可以根據(jù)用戶需要進(jìn)行選擇，本文中選用的是容量為1K的芯片,。雖然轉(zhuǎn)換器在沒有EEPROM芯片一樣可以正常工作,，但這時(shí)設(shè)備的工作方式是FTDI公司默認(rèn)的內(nèi)容，如果用戶想寫入自己的VID,、PID等信息必須外接一片EEPRO-M,，其具體內(nèi)容有一定的格式，本設(shè)計(jì)的工作方式是FTDI公司默認(rèn)的,。
由于FT4232H要求+3.3V電壓供電,，因此設(shè)計(jì)中采用低壓差電壓芯片TPS75533KTT，具體電路如圖2所示,，輸出+33V,，測試中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。電平轉(zhuǎn)換芯片采用低功耗轉(zhuǎn)換芯片SP491,。為了保護(hù)PC機(jī)和外圍設(shè)備相互干擾或者不會因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸線上可能遭受到的高電壓靜電等的干擾而出現(xiàn)“死機(jī)”現(xiàn)象,，本設(shè)計(jì)在FT4232H信號輸出與電平轉(zhuǎn)換前使用了光電隔離器件6N137隔離，注意到6N137左右兩端需要單獨(dú)供電,，因此我們還加上了DC-DC芯片,，對電壓進(jìn)行隔離，這樣就可以有效防止干擾或者強(qiáng)電流而導(dǎo)致系統(tǒng)失效,，圖中只給出了單路接收時(shí)的光電隔離電路圖,，對于多路發(fā)送接收來說原理一樣。
為了測試方便以及增強(qiáng)直觀效果,，本設(shè)計(jì)還使用了移位寄存器74HTC595,，這樣系統(tǒng)正常工作時(shí)，可以直觀的判別那一路的發(fā)送或者接收數(shù)據(jù),。對于后期PCB板調(diào)試有一定幫助,。具體電路如圖2所示。
電路以FT4232H為核心器件,，用雙發(fā)/雙收RS422接口芯片完成RS422電平到TTL電平之間的轉(zhuǎn)換,。由于采用USB總線供電結(jié)構(gòu),，最大能提供電壓+5V、電流500mA,，所以要求芯片工作電壓低,、低功耗體積盡量小，在這里FT4232正常工作電流是70mA,，當(dāng)處于懸掛模式時(shí),，電流為500μA，對于轉(zhuǎn)換芯片,，工作電壓為+5V,，正常工作電流是600μA，不工作時(shí)最大電流為10μA,，最小傳輸速率可以達(dá)到5Mbps,，通過FT4232H的PWREN#和SUSPEND#的輸出來控制芯片的工作狀態(tài)，經(jīng)過實(shí)踐測試,，完全滿足設(shè)計(jì)的要求,。
3.2 驅(qū)動軟件
轉(zhuǎn)換器連到主機(jī)上后，在正常工作之前,，必須在PC機(jī)上安裝一款由FTDI公司免費(fèi)提供的虛擬串行口(VCP-VirtualCOM Port)驅(qū)動程序,，它的版本支持不同Windows的環(huán)境下。設(shè)備的原應(yīng)用程序不必修改,，可以像存取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的物理串口一樣訪問這個(gè)虛擬串口,，但在實(shí)際上所有針對虛擬串口的數(shù)據(jù)通信都是以USB總線傳輸來完成的。但在設(shè)備一方,，傳輸?shù)拇_實(shí)是RS-422的數(shù)據(jù),。
4 系統(tǒng)測試
4.1 測試方案
電源由PC機(jī)通過USB接口提供，電源分別經(jīng)過低壓差電壓芯片TPS75533KTT提供3.3V電壓,，光電隔離電壓分別由DC-DC轉(zhuǎn)換芯片分別供電,。
數(shù)據(jù)傳輸驗(yàn)證，為測試USB接口和RS422接口之間能否正常的傳輸數(shù)據(jù),，而且四路RS422數(shù)據(jù)之間無相互影響和調(diào)包現(xiàn)象,。在此我們選用了串口助手軟件作為我們的測試工具，利用串口助手的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)能力,，分別鑒定是否能夠同時(shí)發(fā)送接收四路RS422數(shù)據(jù)和每一路的USB信號。
4.2 測試結(jié)果
我們在測試中利用串口助手,，波特率設(shè)為115200,，測試結(jié)果如圖3所示，實(shí)踐證明,，使用FT4232H芯片設(shè)計(jì)出來的USB轉(zhuǎn)換器可使在串口RS422和USB口之間非常容易地建立可靠的連接,。能夠同時(shí)接收來自四路RS422接口的數(shù)據(jù)，而且此四路RS422接口任何一路或者多路停止傳送數(shù)據(jù)，對其他路數(shù)的數(shù)據(jù)傳送沒有任何的影響,。說明四路RS422接口相互之間是獨(dú)立工作的,。同時(shí)我們也做了數(shù)據(jù)的掉包統(tǒng)計(jì)，如表1所示,。從表1結(jié)果表明,，在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中，并沒有出現(xiàn)掉包的情況,，因此達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,。
5 結(jié)束語
FT4232H是一款功能強(qiáng)大，簡單好用的USB-UART橋接芯片,。64引腳,，12mmx12mm的LQFP外形封裝使其占有空間非常小，非常便于設(shè)計(jì)人員布設(shè),。同時(shí)用它將USB口擴(kuò)展成為RS～422(還包括RS-232和RS-485)接口都非常簡單易行,。同時(shí)由于其內(nèi)部存儲產(chǎn)品的ID等信息的寄存器，都可以通過外圍EEPROM借助其專門的工具,，編寫程序修改,，增強(qiáng)了一定的靈活性。在這款轉(zhuǎn)換器中,，我們使用了采用DC-DC隔離電源供電,，機(jī)與通訊接口之間采用高速光耦SP491進(jìn)行光電隔離，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)系統(tǒng)很強(qiáng)的防高壓沖擊的能力,、很強(qiáng)的抗干擾能力,。它具有不占用系統(tǒng)資源、結(jié)構(gòu)簡單,、使用方便,、通用性強(qiáng)和性能可靠的特點(diǎn)，目前已經(jīng)批量使用了,。