中心議題:

• USB到多路RS422轉換器的電路實(shí)現
• 學(xué)習FF4232H芯片

解決方案:

• 采用DC-DC隔離電源供電

隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展，USB通用串行總線(xiàn)憑借其傳輸速度快、接口靈活、支持熱插熱拔以及具有很強的擴展性等特點(diǎn)在計算機接口以及終端電子產(chǎn)品中占據著(zhù)主導地位，USB接口有逐漸取代其他標準接口的趨勢。然而工業(yè)以及民用大量采用RS422傳輸數據的設備裝置，RS422采用雙平衡差分信號傳輸，所有傳輸距離最大可以達到1 200 m，這給工業(yè)用途帶來(lái)了極大的便利，不足之處在于傳輸速度慢，這給很多傳統的以RS422為通信接口的外圍設備面臨著(zhù)巨大的考驗。而USB卻能彌補這些缺點(diǎn)，因此，結合USB的總線(xiàn)結構設計RS422與USB接口的轉換器勢在必行。

然而，一般計算機提供的串行接口有限，當串行設備數量增加時(shí)，端口的短缺問(wèn)題將給用戶(hù)帶來(lái)極大的不便，針對這種情況，本文結合實(shí)際項目，利用FTDI公司的FT4232H芯片，通過(guò)簡(jiǎn)單的外圍電路來(lái)設計一路USB轉4路RS422的轉換器。

1 總體設計方案

本設計開(kāi)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轉換成四路USB信號，再通過(guò)USB到RS422單路轉換器來(lái)實(shí)現：2)直接采用USB到UART接口轉換芯片來(lái)實(shí)現。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立，電路調試簡(jiǎn)單，但性能不好，體積大，而且成本要求相對來(lái)說(shuō)高；后一種方案對電路的調試相對比較復雜，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。

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(zhuān)門(mén)用于USB到RS232／RS485／RS422之間的電平轉換芯片，數據收發(fā)和協(xié)議轉換工作全由芯片獨立完成，無(wú)需人工干預，不用編寫(xiě)芯片的固件，給設計者帶來(lái)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)現相應的轉換。
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2．1．1 FT4232H的特點(diǎn)

和同類(lèi)產(chǎn)品相比，FT4232H的主要特點(diǎn)如下：

1)單芯片到4路串口的轉換，整個(gè)接口協(xié)議中芯片內部固化，無(wú)需外加的編程；
2)支持480 Mb／s USB 2．0的高速規范，并可在各種工業(yè)標準的串行或并行接口(例如UART或FIFO)下進(jìn)行配置；
3)提供四種可配置的接口，FT4232H的其中兩個(gè)接口可配置為UART、JTAG、SPI、I2C或帶獨立波特率發(fā)生器的位響應模式串口，FT4232H的另外兩個(gè)接口具有UART功能或位響應功能；
4)配置為RS-232／-422／-485 UART接口時(shí)，這兩個(gè)器件均可支持數據傳輸率達12 MB／s；
5)通過(guò)外接EEPROM，可以提供自己產(chǎn)品的VID、PID、設備序列號以及設備相關(guān)的說(shuō)明文字；
6)雙端口2 k字節的發(fā)送和接收緩沖單元；
7)支持UART7／8 Bit數據位，1／2停止位，奇偶校驗，Mark／Space校驗或無(wú)校驗；
8)支持異步串行UART接口滿(mǎn)硬件握手信號，調制接口信號，硬件及Xon／Xoff流量控制；
9)高集成+1．8 V低壓差線(xiàn)性電壓輸出，以及集成12～480MHz頻率合成；
10)集成了電平轉換器，I／O口電平支持5～3．3 V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 主要內容

3．1 硬件電路

整個(gè)系統的供電來(lái)源于USB接口的+5 V；因此芯片工作在USB總線(xiàn)供電模式，典型電路如圖2所示，采用標準的USB接口P1，FT4232H提供了標準的發(fā)送TX和接收RX引腳輸出輸入線(xiàn)，因此與外設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(xiàn)，通過(guò)PWREN#和SUSPEND#的輸出來(lái)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、設備序列號以及與設備相關(guān)的文字說(shuō)明，芯片的容量大小可以根據用戶(hù)需要進(jìn)行選擇，本文中選用的是容量為1 K的芯片。雖然轉換器在沒(méi)有EEPROM芯片一樣可以正常工作，但這時(shí)設備的工作方式是FTDI公司默認的內容，如果用戶(hù)想寫(xiě)入自己的VID、PID等信息必須外接一片EEPRO-M，其具體內容有一定的格式，本設計的工作方式是FTDI公司默認的。

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由于FT4232H要求+3．3 V電壓供電，因此設計中采用低壓差電壓芯片TPS75533KTT，具體電路如圖2所示，輸出+33 V，測試中表現出良好的穩定性。電平轉換芯片采用低功耗轉換芯片SP491。為了保護PC機和外圍設備相互干擾或者不會(huì )因為數據傳輸線(xiàn)上可能遭受到的高電壓靜電等的干擾而出現“死機”現象，本設計在FT4232H信號輸出與電平轉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電流而導致系統失效，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(lái)說(shuō)原理一樣。

為了測試方便以及增強直觀(guān)效果，本設計還使用了移位寄存器74HTC595，這樣系統正常工作時(shí)，可以直觀(guān)的判別那一路的發(fā)送或者接收數據。對于后期PCB板調試有一定幫助。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電平之間的轉換。由于采用USB總線(xiàn)供電結構，最大能提供電壓+5 V、電流500 mA，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70 mA，當處于懸掛模式時(shí)，電流為500μA，對于轉換芯片，工作電壓為+5 V，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到5 Mbps，通過(guò)FT4232H的PWREN#和SUSPEND#的輸出來(lái)控制芯片的工作狀態(tài)，經(jīng)過(guò)實(shí)踐測試，完全滿(mǎn)足設計的要求。

3．2 驅動(dòng)軟件

轉換器連到主機上后，在正常工作之前，必須在PC機上安裝一款由FTDI公司免費提供的虛擬串行口(VCP-VirtualCOM Port)驅動(dòng)程序，它的版本支持不同Windows的環(huán)境下。設備的原應用程序不必修改，可以像存取一個(gè)標準的物理串口一樣訪(fǎng)問(wèn)這個(gè)虛擬串口，但在實(shí)際上所有針對虛擬串口的數據通信都是以USB總線(xiàn)傳輸來(lái)完成的。但在設備一方，傳輸的確實(shí)是RS-422的數據。

4 系統測試

4．1 測試方案

電源由PC機通過(guò)USB接口提供，電源分別經(jīng)過(guò)低壓差電壓芯片TPS75533KTT提供3．3 V電壓，光電隔離電壓分別由DC-DC轉換芯片分別供電。
數據傳輸驗證，為測試USB接口和RS422接口之間能否正常的傳輸數據，而且四路RS422數據之間無(wú)相互影響和調包現象。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)送和接收數據能力，分別鑒定是否能夠同時(shí)發(fā)送接收四路RS422數據和每一路的USB信號。

4．2 測試結果

我們在測試中利用串口助手，波特率設為115 200，測試結果如圖3所示，實(shí)踐證明，使用FT4232H芯片設計出來(lái)的USB轉換器可使在串口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(lái)自四路RS422接口的數據，而且此四路RS422接口任何一路或者多路停止傳送數據，對其他路數的數據傳送沒(méi)有任何的影響。說(shuō)明四路RS422接口相互之間是獨立工作的。同時(shí)我們也做了數據的掉包統計，如表1所示。從表1結果表明，在發(fā)送數據的過(guò)程中，并沒(méi)有出現掉包的情況，因此達到了設計要求。

5 結束語(yǔ)

FT4232H是一款功能強大，簡(jiǎn)單好用的USB-UART橋接芯片。64引腳，12 mmx12 mm的LQFP外形封裝使其占有空間非常小，非常便于設計人員布設。同時(shí)用它將USB口擴展成為RS～422(還包括RS-232和RS-485)接口都非常簡(jiǎn)單易行。同時(shí)由于其內部存儲產(chǎn)品的ID等信息的寄存器，都可以通過(guò)外圍EEPROM借助其專(zhuān)門(mén)的工具，編寫(xiě)程序修改，增強了一定的靈活性。在這款轉換器中，我們使用了采用DC-DC隔離電源供電，機與通訊接口之間采用高速光耦SP491進(jìn)行光電隔離，實(shí)現了主機系統很強的防高壓沖擊的能力、很強的抗干擾能力。它具有不占用系統資源、結構簡(jiǎn)單、使用方便、通用性強和性能可靠的特點(diǎn)，目前已經(jīng)批量使用了。