基于CH341A的USB串口通讯设计

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。
关键词：USB；RS232C；通讯；接口

    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。