1、USB 转 RS232 串行适配器的设计【摘要】本文介绍了一种 USB 转 RS-232 串行通讯口电路的设计。针对石油开采井下仪器压力计、流量计等设计了一种新的数据回放设备，解决了无串口电脑的串口通讯问题。 【关键词】USB RS-232 串行口 一、概述 随着计算机技术的发展，RS-232 串行通讯口在绝大多数电脑中已经被取消，被替代为通讯速度更快的 USB 口，市面上只有极少部分售价高昂的高端笔记本才配备串行通讯口，但串行通讯口目前在石油开采井下仪器设备中的应用仍十分广泛。因此设计开发 USB 转 RS-232 串行适配器以满足科研生产需求具有重要意义。 下面介绍一种将传统 RS-232
2、 器件升级为 USB 口的技术，采用虚拟COM 口技术，符合 USB2.0 通讯规范，同时兼容 USB1.0、USB1.1 等老版本，可在 Win2000/XP/Win7/Win8 等操作系统上运行。 二、方案设计 在井下仪器中，大多数采用 PIC16C63 这种单片机，因此在数据通讯时采用异步串口通讯，如何将 UART 转换为目前通行的 USB，是设计的关键。同时 USB 接口具有强大的驱动能力，为新的数据回放设备不再使用外接电源提供了条件，下面进行具体阐述。 （一）UART 转 USB 的设计 主要包括电路的设计、程序的设计和通讯协议三个部分。 （1）通讯电路的设计。选用 Cygnal 公
3、司的 CP2101 芯片，作为 UART转 USB 桥接器，它包括一个 USB2.0 全速功能控制器，USB 收发器，振荡器和带有全部的调制解调器控制信号的异步串行数据总线（UART） 。由于这种芯片集成了收发器，因此无需外部电阻，同时集成了 48MHz 的时钟，无需外部晶体，外围电路简单。 RS-232 器件选用 Maxim 公司的 MAX3232E，其特点是带有两路 RS-232和 TTL/COMS 电路接口，功耗比 MAX232 低很多，典型电流为 0.3mA。具体的电路如图 1 所示。 对于已经带有 RS-232 器件的设备，只需从 MAX3232E 的 7、8 脚输出信号即可，实际运
4、用中增加两个短接块进行跳线，因此这种电路对一般仪器都可轻松实现 USB 通讯，且对新旧计算机都能使用。 （2）虚拟 COM 口器件驱动程序。CP2101 的虚拟 COM 口器件驱动程序允许一个基于 CP2101 的器件以计算机的应用软件的形式作为一个增加的COM 口（独立于任何现有的硬件 COM 口）使用。运行在计算机上的应用程序以访问一个标准的硬件 COM 口的方式访问基于 CP2101 的器件。但计算机与 CP2101 的器件间的数据传输却是通过 USB 完成的。因此，无需修改现有的 COM 口应用就可以实现通过 USB 向基于 CP2101 的器件传输数据。 对于不同的计算机，模拟的 C
5、OM 口是根据该计算机的串口占用情况确定，可能是 COM3、COM4 或其它更高的 COM 口，因此通讯程序中还需增加串口自动识别函数，这个函数可以利用 Dephi 中的专用库函数实现。 驱动程序的安装，首先插上 USB 设备，操作系统提示添加新硬件，按照提示安装设备附带的驱动程序，以后的使用像普通 U 盘一样方便，即插即用。 （3）异步串行数据总线（UART）接口协议。CP2101 的 UART 接口包括 TX（发送）和 RX（接收）数据信号以及 RTS（请求发送） 、CTS（清出发送） 、DSR（数据设置准备） 、DTR（数据终端准备） 、DCD（数据携带侦查）和 RI（振铃指示） 。可以
6、通过编程支持各种数据格式和波特率，在计算机的 COM 口配置期间进行。 在压力计和流量计回放设备的设计中，采用 8 位数据位，校验位采用奇校验，波特率采用 4800 或 9600，不仅通讯数据可靠，而且通讯速度比直接的串口通讯速度快。 （二）升压电路的设计 计算机的 USB 口可以提供 5V、500mA 的驱动电流，转换成 12V 时，按照最低 60%的转换效率也可提供 125mA 的电流。目前压力计在通讯时的电流不超过 15mA，流量计和水量调节装置等产品在通讯时电流不超过50mA，因此这些仪器的通讯就可以考虑使用 USB 口提供电源，而不像传统的数据回放仪器需要电池供电。 选用 MAX76
7、1 作为升压型开关调节器，其特点是采用限流型 PFM 控制方式，超低静态电流，在宽的负载范围内保持 80%以上的高效率，输出电流设计为 60mA，输出电压设计为（10.50.5）V，具体的电路如图 2 所示。 （三）限流保护电路的设计 为了保证计算机的 USB 口不会被大电流损坏，增加保护电路是必需的。本电路选用专用 USB 限流保护开关 TPS2014 进行电流保护，输入电压范围为（47）V，带有短路保护和热保护功能，当电流超过 600mA 以后，输出即被关断。同时自身的阻抗小于 95m，因此在 600mA 电流的情况下其压降也不会超过 50mV。 三、结束语 USB 转 RS-232 串行适配器的成功设计，很好地解决了现有仪器在没有串口的计算机的连接通讯问题。对于地面仪器的通讯，只需关掉升压电路的电源开关（因为地面仪器都自带电源） ，将本电路作为一个中间过渡设备，即可实现通讯。
