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基于CH341A的USB串口通讯设计

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  摘要:为解决当前计算机串行通讯接口只有USB,难以满足旧型号设备或某些单片机要求RS232通讯的问题,设计出两款RS232/USB电路。采用CH341A与MAX223集成电路芯片构建标准9线RS232/USB通用接口转换器,无需编程。采用CH341A与PIC16F877A构建单片机与计算机之间的U-SB通讯电路,软件遵循RS232通讯协议,硬件进行电平转换。实际使用表明,这两款产品与计算机端Windows操作系统下的串口应用程序完全兼容,且通讯过程中无握手失败现象。

  随着计算机技术的发展,具有热插拔功能的USB接口逐渐取代了RS232C接口,使得采用RS232C通讯的旧式设备应用受到限制。此外,由于RS232C通讯接口编程简单,控制灵活,大多数MCU仍然把它作为一个标准模块固化在其外围电路当中。目前,市面上虽然有一些成型的USB/ RS232C转换产品,但功能比较简单,只支持3线通信方式,并且与PC端的串口应用程序不完全兼容,使用过程中经常出现握手失败的情况。本文根据实际情况中PC的USB接口使用情况,设计了两款产品,在芯片厂家提供的驱动程序下,仅需少量编程即可满足USB与RS232C接口的转换问题,以及实现MCU与PC之间的USB串口通信。

  1 CH341A简介

  CH341A是南京沁恒公司生产的USB总线转接芯片,其引脚排列如图1所示。当CH341A工作在异步串口模式时,CH341A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以及常用的MODEM联络信号,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。

  异步串口方式下CH341A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、MODEM联络信号引脚、辅助引脚。

  数据传输引脚包括:TXD引脚和RXD引脚。串口空闲时TXD和RXD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,CH341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CH341还未准备好接收,暂时不能接收数据,其原因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。

  工作状态引脚包括:TNOW引脚和ROV#引脚。TNOW以高电平指示CH341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CH341A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。MODEM联络信号引脚包括:CTS#引脚、DSR#引脚、RI#引脚、DCD#引脚、DTR#引脚、RTS#引脚。所有这些MODEM联络信号都是由计算机应用程序控制并定义其用途,而非直接由CH341控制,如果需要较快的速率控制信号,可以用硬件速率信号代替。

  CH341A芯片的ACT#引脚用于USB设备配置完成状态输出。当USB设备尚未配置或者取消配置后,该引脚输出高电平,当USB设备配置完成后,该引脚输出低电平。CH341A芯片内置USB上拉电阻,UD+和UD-引脚可直接连接到USB总线上。CH341A芯片内置电源上电复位电路,RSTI引脚用于从外部输入异步复位信号;当RSTI引脚为高电平时,CH341A芯片被复位;当RSTI引脚恢复为低电平后,经过20 ms左右的复位延时后,进入工常工作状态。

  CH341A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、5~8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。CH341A支持常用通讯波特率:50、75、100、110、134.5、150、300、600、900、1 200、1 800、2 400、3 600、4 800、9 600、14 400、19 200、28 800、33 600、38 400、56 000、57 600、76 800、115 200、128 000、153 600、230 400、460 800、921 600、1 500 000、2 000 000等。

  CH341A的通讯操作采用虚拟形式,在计算机端安装好驱动程序后,即将USB接口虚拟成RS232接口,便可利用RS232通讯协议对USB进行操作。CH341A设备驱动程序安装成功,并与计算机可靠连接后,在“设备管理器”中显示的信息如图2所示。

  2 转换器设计

  2.1 USB/RS232转换器

  该转换器只应用于USB接口或RS232接口不够,需采用RS232进行通讯的场合。利用CH341A进行USB与标准9线RS232串口转换的电路原理图如图3所示,该转换器在上位机驱动程序的管理下,无需二次编程开发。由于转换器功耗很小,由USB端口提供电源;在CH341A的XI、XO引脚接入12M晶振,以提供芯片内部时基,起振电容C13、C14为20pF。将转换器与计算机通过USB接口连接后,发光二极管VD1被点亮,表示CH341A配置完成,可以进行后续操作。电平适配转换芯片采用MAX223,其外围电容器件用稳定性能较好的钽电解电容,容值为1μF。MAX223支持挂起状态,当SHDN引脚为低电平时,MAX223进入挂起状态,由于CH341A支持的通讯波特率能满足大多数要求,故本设计中把SHDN直接接高电平。

  本设计采用MAX223是为了减小产品体积,实现标准9线RS232串口的转换,在实际成型产品中,可以采用3个MAX232代替,由于外围电容以及集成电路数量的增加,转换器的体积也会随之增大。在大多数场合,3线串口即可满足要求,如STC系列单片机的ISP程序下载应用,此时,可采用小型化的CH341T及单片MAX232进一步减小体积。

 

  利用串口调试助手对转换器进行通讯测试的结果如图4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。通讯采用的波特率为9 600,8位数据位,1位停止位,无校验位,2个端口每隔1 000 ms自动发送数据。由图4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。

  2.2 MCU与PC之间USB通讯适配

  该适配电路适用于计算机无RS232接口,却需进行RS232通讯的数据采集系统,MCU进行底层相关数据的采集与存储,然后在上位机的控制下通过适配电路进行数据的传递。MCU与PC机通过USB接口进行通讯的适配器原理电路如图5所示,在本设计中MCU采用microchip公司的PIC1 6F877A,利用MCU的串口模块,可以与CH341A直接构成3线串口通讯方式,经过CH341A转换后,通过USB接口与PC机相连。当PC串口通讯波特率较高或者单片机来不及接收,利用MCU的RD0引脚控制CH341A的TEN#引脚,当MCU空闲且可以接收串口数据时置TEN#为低电平,当单片机较忙或者不便于接收串口数据时置TEN#为高电平。使CH341A暂停发送下一个字节,实现速率控制。

  单片机软件流程如图6所示,系统初始化完成I/O口、看门狗等设置;串口初始化进行波特率、检验位、通讯方式等设置。

  上位机软件向单片机发送一个指令,当单片机检测到该指令后判断是否有键按下,如果有,则进行相应键值的判断,根据键值的不同向上位机发送不同的数据。在对本电路测试中,上位机指令代码为“CCh”,单片机发送的数据与键值相对应,如按下1号键,发送数据“01h”,测试结果如图7所示。

  上述两种产品结构紧凑,体积小巧,通讯可靠,可以满足绝大多数应用场合的需求,但在通讯速率的设置上,应尽量采用CH341推荐的波特率,否则可能出现通讯异常的情况。

  实际上,CH341推荐的波特率基本涵盖了各类通讯软件及产品所采用的波特率,也与51系列MCU采用11.059 2 MHz晶振时设置的波特率相兼容,因此,推荐波特率也可以满足各种场合的需求。

  3 结束语

  CH341A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。由于CH341A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。

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