kafeng初识嵌入式 1 - USB转TTL/RS-232

只看该作者 · 2015-8-22 17:07

本帖最后由 kafeng 于 2015-8-28 10:59 编辑

首先说明一下本系列**的性质，主要是用于厘清对一些问题的了解，权当做读书笔记。故将全力保证正确性，废话少说进入正题。

IEEE对于ES（Embedded system，嵌入式系统）的定义是：“Devices Used to Control，Monitor or Assist the Operation of Equipment，Machinery or Plants”，用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置。这样不论是基于古董的 Intel 8051 架构的 STC89C52RC，还是基于高大上的 ARM Cortex-M架构的STM32F103VET6，就都属于嵌入式芯片啦。

PC要连接上面这些玩意，基本都是从USB口开始的。然后很多会有一个转接过程，接到芯片的UART/USART口，本文主要想搞清楚这个转接是个什么鬼。

先解释几个名词：
串行接口：Serial Port
串行通信：Serial Communication
指使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。
USB：Universal Serial Bus，通用串行总线
UART： Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器
USART：Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，通用同步/异步收发传输器

再来两个原理：
SYNC：Synchronous Data Communication，同步通信
指在约定的通信速率下，发送端和接收端的时钟信号频率和相位始终保持一致（同步），保证通信双方在发送和接收数据时具有完全一致的定时关系。
同步通信把许多字符组成一个信息组（信息帧），由同步字符、数据字符和校验字符（CRC）组成。其中同步字符位于帧开头，用于确认数据字符的开始。数据字符在同步字符之后，个数没有限制，由所需传输的数据块长度来决定；校验字符有1到2个，用于接收端对接收到的字符序列进行正确性的校验。

ASYNC：Asynchronous Data Communication，异步通信
又称起止式异步通信，指是以字符（构成的帧）为单位进行传输的，字符之间没有固定的时间间隔要求，但每个字符中的各位则以固定的时间传送。
数据通常以字符或者字节为单位组成字符帧传送。字符帧由发送端逐帧发送，通过传输线被接收设备逐帧接收。发送端和接收端可以由各自的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟源彼此独立，互不同步。接收端检测到传输线上发送过来的即字符帧起始位时，确定发送端已开始发送数据，每当接收端收到字符帧中的停止位时，就知道一帧字符已经发送完毕。

好了，感觉知道的差不多了，下面来搞清楚到底是怎么接的。

PC上的USB接口基本都是一致的，为USB A型插座，接口为4Pin（USB 2.0，USB 3.0更多，但向下兼容，不考虑），Pin1（红）为VCC，接+5V；Pin2（白）D-，接Data-；Pin3（绿）为D+，接Data+；Pin4（黑）为GND，接地。靠Data+和Data-传输数据，输出的是差分信号。

差分传输是一种信号传输的技术，区别于传统的一根信号线一根地线的做法，差分传输在这两根线上都传输信号，这两个信号的振幅相等，相位相反。在这两根线上传输的信号就是差分信号。

在限定的电压范围内，当（D+）-（D-）>200mV时，为差分的“1”，当（D-）-（D+）>200mV时，为差分的“0”。当然在各种不同情况下会有很多不同，J态K态什么的，但原理大约是这样。USB 2.0的通信协议有数百页之巨，实在才疏学浅，接收批评指正。

然后另一边，芯片的接口引脚是TTL或者CMOS的。
TTL：Transistor-Transistor Logic，逻辑门电路，主要由BJT（Bipolar Junction Transistor 即双极结型晶体管），晶体三极管和电阻构成
CMOS：Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体，CMOS数字集成电路的基本单元
对于TTL电路，逻辑“1”输入标准高电平3.6V，最小值2.0V，逻辑“0”输入标准低电平0.3V，最大值0.8V。
对于CMOS电路，逻辑“1”输入标准高电平接近5.0V，最小值2.8V，逻辑“0”输入标准低电平接近0.0V，最大值2V。
两者的电平信号部分是可以兼容的。（此处电压为参考值，与实际器件有关）

这样，两边的情况基本上清楚了，显然两者不能直接通信，需要进行转换。
开发板上貌似有两种情况，一种直接带有各型USB接口，一种带有RS-232接口。

前者直接用CH340G这样的芯片将USB差分信号转为TTL电平，比较清楚。上一张典型电路图片，来源为STC官方，然后自己画的，可查看STC89C52RC官方手册。

后者先由一根USB转RS-232线，将USB差分信号转为RS-232电平。
RS-232：异步传输标准接口，有DB-9与DB-25两种形态，DB-9就是9针。其逻辑“1”（传号）的电平低于-3V，逻辑“0”（空号）的电平高于+3V；对于控制信号；接通状态（ON）即信号有效的电平高于+3V，断开状态（OFF）即信号无效的电平低于-3V，也就是当传输电平的绝对值大于3V时，电路可以有效地检查出来，介于-3～+3V之间的电压无意义，低于-15V或高于+15V的电压也认为无意义，因此，实际工作时，应保证电平在-3V～-15V或+3V～+15V之间。
基本9针只用到了TXD和RXD再加地，在线里面比较大的那一头用类似PL2303+MAX232之类将USB差分信号转为RS-232电平。接到板子上的RS-232接口中.然后再在板子上装一个MAX232将RS-232电平转换为TTL电平。
下图便是MAX232将RS-232电平转换为TTL电平电路典型电路。同样来源于STC官方STC89C52RC手册。