采用CP2101將USB口擴(kuò)展成串口

引言

    CP2101及其升級(jí)產(chǎn)品CP2102是美國(guó)Silicon公司推出的USB-UART橋接電路。該電路的集成度高，內(nèi)置USB2.0全速功能控制器、USB收發(fā)器、晶體振蕩器、EEPROM及異步串行數(shù)據(jù)總線（UART），支持調(diào)制解調(diào)器全功能信號(hào)，無需任何外部的USB器件。功能強(qiáng)大，采用MLP-28封裝，尺寸僅為5mm×5mm，占用空間非常小。

    與其他USB-UART轉(zhuǎn)接電路的工作原理類似，CP2101通過驅(qū)動(dòng)程序?qū)C的USB口虛擬成COM口以達(dá)到擴(kuò)展的目的。虛擬COM口（VCP）的器件驅(qū)動(dòng)程序允許一個(gè)基于CP2101的器件以PC應(yīng)用軟件的形式作為一個(gè)增加的COM口獨(dú)立于任何現(xiàn)有的硬件。COM口使用運(yùn)行在PC上的應(yīng)用軟件以訪問一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)硬件COM口的方式訪問基于CP2101的器件，PC與CP2101間的數(shù)據(jù)傳輸是通過USB完成的，因此，無需修改現(xiàn)有的軟件和硬件就可以通過USB向基于CP2101的器件傳輸數(shù)據(jù)。

1 CP2101的特性

    CP2101的體積雖小但功能非常強(qiáng)大，其主要特性如下：

·內(nèi)含USB收發(fā)器，無需外接電路器；

·內(nèi)含時(shí)鐘電路，無需外接振蕩器；

·其內(nèi)部512字節(jié)的EEPROM可用于存儲(chǔ)產(chǎn)品生產(chǎn)商的ID、產(chǎn)品的ID序列號(hào)、電源參數(shù)、器件版本號(hào)和產(chǎn)品說明；

·內(nèi)含上電復(fù)位電路；

·片內(nèi)電壓調(diào)節(jié)可輸出3.3V電壓；

·符合USB2.0規(guī)范的要求（12Mb/s）；

·SUSPEND引腳支持USB狀態(tài)掛起；

·異步串行數(shù)據(jù)總線（UART）兼容所有握手和調(diào)制解調(diào)器接口信號(hào)；支持的數(shù)據(jù)格式為數(shù)據(jù)位8、停止位1、2和校驗(yàn)位（包括奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)和無校驗(yàn)）；

·波特率范圍為300b/s～921.6kb/s；

·內(nèi)含512字節(jié)接收緩沖器和512字節(jié)發(fā)送緩沖器；

·支持硬件或X-On/X-Off握手；

·支持事件狀態(tài)。

    此外，通過廠商及銷售商免費(fèi)提供的、適用于Windows(含Windows CE)、Linux、Mac OS-X等多個(gè)操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序，可省去CP2101系列器件二次開發(fā)的投入。這樣，在一般情況下，焊接完畢并安裝好驅(qū)動(dòng)程序即可使用。

2 工作原理

    CP2101的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部基本連接電路如圖1所示。由圖1可見，用CP2101進(jìn)行串口擴(kuò)展所需的外部器件非常少，僅需3只去耦電容器即可，使用起來非常方便。

    2．1 USB功能控制器和收發(fā)器

    CP2101中的USB功能控制器是一個(gè)符合USB2.0的全速電路，帶有收發(fā)器和相應(yīng)的片內(nèi)上拉電阻器。USB功能控制器管理USB與UART間的所有數(shù)據(jù)傳輸，以及由USB主控制器發(fā)出的請(qǐng)求命令和用于控制UART功能的命令。通過USB掛起和恢復(fù)信號(hào)可支持CP2101及外部電路的電源管理。當(dāng)在總線上檢測(cè)到掛起信號(hào)時(shí)，CP2101將進(jìn)入掛起模式。在進(jìn)入掛起模式時(shí)，CP2101會(huì)發(fā)出SUSPEND和SUSPEND信號(hào)，同時(shí)，在CP2101復(fù)位后，CP2101也會(huì)發(fā)出該信號(hào)直到USB要求的器件配置完成。CP2101的掛起模式會(huì)在下述任何一種情況出現(xiàn)時(shí)被取消：

（1）檢測(cè)到繼續(xù)信號(hào)或產(chǎn)生繼續(xù)信號(hào)時(shí)；

（2）檢測(cè)到一個(gè)USB復(fù)位信號(hào)；

（3）器件復(fù)位。

    在退出掛起模式時(shí)SUSPEND和SUSPEND信號(hào)被取消。

    需要注意的是SUSPEND和SUSPEND和CP2101復(fù)位期間會(huì)暫時(shí)處于高電平，如果要避免這種情況，可以使用一個(gè)大的下拉電阻器（10kΩ）來確保SUSPEND在復(fù)位期間處于低電平。

    2．3 異步串行數(shù)據(jù)總線（UART）接口

    CP2101的UART接口包括TX發(fā)送、RX接收數(shù)據(jù)信號(hào)，以及RTS、CTS、DSR、DTR、DCD和RI控制信號(hào)。UART支持RTS/CTS、DSR/DTR和X-On/X-Off握手，還可以通過編程使UART支持各種數(shù)據(jù)格式和波特率。UART的數(shù)據(jù)格式和波特率編程可在PC上進(jìn)行。表1所列是CP2101串行總線的數(shù)據(jù)格式和波特率。

表1 CP2101串行總線的數(shù)據(jù)格式和波特率

數(shù)據(jù)位 8 
停止位 1 
校驗(yàn)位 無校驗(yàn)、奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn) 
波特率 300，600，1200，1800，2400，4800，7200，9600，14400，19200，28800，38400，56000，57600，115200，128000，230400，460800，921600 

    這里還需注意的是，CP2101異步串行數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)位和停止位是固定的，也就是說，在實(shí)際使用中可以通過軟件改變校驗(yàn)位和波特率，但是，改變數(shù)據(jù)位和停止位會(huì)在通訊中出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

    2．3 內(nèi)部EEPROM

    CP2101內(nèi)部集成了一個(gè)EEPROM，可用于存儲(chǔ)由設(shè)備原始制造商定義的USB供應(yīng)商的ID、產(chǎn)品的ID說明、電源參數(shù)、器件版本號(hào)和器件序列號(hào)等信號(hào)。USB配置數(shù)據(jù)的定義是可選的。如果EEPROM沒有被OEM的數(shù)據(jù)占用,則采用默認(rèn)方式配置數(shù)據(jù)。注意，盡管如此，對(duì)于可能使用多個(gè)基于CP2101的器件連接到同一個(gè)PC的OEM應(yīng)用來說，它們需要一個(gè)專一的序列號(hào)。

    內(nèi)部EEPROM可通過USB進(jìn)行編程，以便OEM的USB配置數(shù)據(jù)和序列號(hào)可以在制造和測(cè)試時(shí)直接寫入到系統(tǒng)上的CP2101中。Silicon公司提供一種專門為CP2101內(nèi)部EEPROM進(jìn)行編程的工具，同時(shí)還提供一個(gè)Windows DLL格式的程序庫(kù)。該程序庫(kù)可在制造過程中將EEPROM編程步驟集成到OEM中，以便用自定義軟件進(jìn)行流水線式測(cè)試和序列號(hào)的管理。EEPROM的寫壽命典型值為100,000次，數(shù)據(jù)保持時(shí)間為100年。

3 應(yīng)用實(shí)例

    CP2101的實(shí)際應(yīng)用參考電路如圖2所示。該電路經(jīng)過制板和調(diào)試，證明是完全可行的。

    （1）以上電路支持全功能串行通信應(yīng)用。為了確保數(shù)據(jù)收發(fā)的穩(wěn)定性，避免通信過程中的干擾，還可以在USB接口端添加濾波電路。

    （2）電路中采用的多通道RS-232收發(fā)器是Maxim公司的MAX241系列或MAX223等系列電路（詳情請(qǐng)參看MAXIM公司RS-232收發(fā)器數(shù)據(jù)手冊(cè)），該系列支持在掛起狀態(tài)（當(dāng)CP2101進(jìn)入掛起狀態(tài)時(shí)，SUSPEND引腳變?yōu)楦唠娖?，從而使RS-232收發(fā)器亦進(jìn)入掛起狀態(tài)），保持接收外界數(shù)據(jù)有效。在使用電路時(shí)，需要注意EN引腳及SHDN引腳的正確連接。在很多簡(jiǎn)單的串行通信中，僅使用TXD/RXD二個(gè)引腳的信號(hào)，在這種情況下可以使用通道數(shù)更少，封超更小的RS-232收發(fā)器。

    （3）CP2101的底部有大片金屬，在芯片內(nèi)部接地。因此在制板時(shí)一定要保證沒有非接地通孔在CP2101的中間通過，或者保證通孔不與其發(fā)生短路。為了保證電路工作的可靠性，建議不要在CP2101焊接面板層的中間部分進(jìn)行布線。

    （4）CP2101的UART總線上的信號(hào)能夠被單片機(jī)等直接識(shí)別，因此應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用要求決定是否需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)束語

    CP2101是一款功能強(qiáng)大的USB-UART橋接電路，5mm×5mm的外型使其占用空間非常小，用它將USB口擴(kuò)展成串口非常簡(jiǎn)單易行。同時(shí)由于其內(nèi)部存儲(chǔ)產(chǎn)品的ID等信息的寄存器可以直接通過USB口改寫，因此用其開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品還有省時(shí)省力的優(yōu)點(diǎn)。唯一遺憾的是，由于UART本身的限制，其最大波行率只能達(dá)到921600b/s，不能發(fā)揮USB2.0并沒有多大的意義。目前，CP2101的升級(jí)產(chǎn)品CP2102已經(jīng)面市。