如何實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口？
UART，通用異步串行總線，就是我們常說的串口。作為最常用的調(diào)試接口，廣泛應(yīng)用在各類硬件平臺(tái)當(dāng)中。簡(jiǎn)單如單片機(jī)，復(fù)雜如手機(jī)主控，最先接觸到的可能都是調(diào)試串口。系統(tǒng)硬件準(zhǔn)備好以后，首先通過串口發(fā)送指令，打印系統(tǒng)信息，什么時(shí)候串口調(diào)試通過了后面的工作才能正常開展。
串口在PC上是一個(gè)DB9接口，一個(gè)完整的串口協(xié)議由DTR，TXD，RXD，DCD，DELL，CTS，RTS，DSR等信號(hào)組成。但在實(shí)際使用中，通常只需要發(fā)送數(shù)據(jù)TXD和接收數(shù)據(jù)RXD兩根信號(hào)。PC機(jī)都會(huì)帶有串口，但是筆記本電腦的空間有限很少會(huì)保留串口。那么筆記本電腦沒有串口就沒法調(diào)試了么?當(dāng)然不是。我們只需要做一個(gè)USB轉(zhuǎn)串口的小工具就可以解決調(diào)試問題。
由于無論是AE，F(xiàn)AE，軟件組，還是固件組都會(huì)用到串口調(diào)試，所以筆者決定做一個(gè)專用的USB轉(zhuǎn)串口工具，方便所有同事使用。在眾多的USB轉(zhuǎn)串口方案中，最終選定了Silicon Labs的CP2102芯片。CP2102采用QFN封裝，封裝尺寸只有5*5mm，同時(shí)芯片集成了完整的USB控制器，晶振，EEPROM和UART控制器，因此只需要很少的外圍電路就可以完成設(shè)計(jì)。除了硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單以外，還有十分重要的一點(diǎn)，Silicon Labs原廠為我們提供了完善的驅(qū)動(dòng)解決方案，對(duì)各個(gè)版本的操作系統(tǒng)都做到了很好的支持。我們只需要將硬件設(shè)計(jì)好，不用擔(dān)心驅(qū)動(dòng)和操作系統(tǒng)的兼容問題。
CP2102有兩種供電方式，一種是由USB接口直接供電，另外一種方式是外部3V供電。顯然第一種方案使用起來更方便。第一種方案除了設(shè)計(jì)方便以外，由于芯片內(nèi)部還集成了5V轉(zhuǎn)3V轉(zhuǎn)換器，在芯片正常工作的同時(shí)，還可以向外部電路提供3V電源，滿足外部供電需求。采用第一種方案的電路原理圖如下圖所示：
圖1：電路原理圖
該串口采用簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，只用了TXD，RXD兩根信號(hào)線。芯片外圍電路簡(jiǎn)單，只在芯片復(fù)位管腳處增加了RC復(fù)位電路，在電源位置增加了電源指示燈。另一個(gè)需要注意的地方是，在USB接口靠近管腳位置上添加ESD保護(hù)器件，防止插拔USB接口的時(shí)候ESD造成芯片意外損壞。
本設(shè)計(jì)的PCB采用雙面板布線，板上的高速信號(hào)就是USB接口的數(shù)據(jù)線，按照差分走線控制等長(zhǎng)和等間距，雙面板控制阻抗比較困難，所以在布板的時(shí)候芯片盡量靠近接口，使走線盡量短。其他信號(hào)基本都走在PCB的頂層，底層留下完整地層。QFN封裝底部的Epad設(shè)計(jì)時(shí)需注意，Epad上面過孔的孔徑不要太大，否則焊接過程中容易漏錫造成虛焊。芯片接地不好會(huì)影響工作穩(wěn)定性和散熱。
整個(gè)的PCB設(shè)計(jì)完成，尺寸只有16*14mm，比一個(gè)無線鼠標(biāo)接收器的尺寸大不了多少，非常的小巧方便，甚至比串口線接頭還要小很多。
圖2：正面
圖3：背面
最后，串口的連接也是需要注意的一點(diǎn)。由于串口是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接方式，沒有主從之分，所以TXD和RXD都是芯片自身的定義，調(diào)試器和調(diào)試接口在連接時(shí)，要把TXD和RXD交叉連接，這樣才能正確的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。有了這個(gè)調(diào)試神器，我們?cè)僖膊慌鹿P記本沒有串口了。出差帶上這么一個(gè)小巧的調(diào)試工具，給我們的工作帶來很大方便。
