摘要：為解決當前計算機串行通訊接口只有USB，難以滿足舊型號設備或某些單片機要求RS232通訊的問題，設計出兩款RS232／USB電路。采用CH341A與MAX223集成電路芯片構建標準9線RS232／USB通用接口轉換器，無需編程。采用CH341A與PIC16F877A構建單片機與計算機之間的U-SB通訊電路，軟件遵循RS232通訊協議，硬件進行電平轉換。實際使用表明，這兩款產品與計算機端Windows操作系統下的串口應用程序完全兼容，且通訊過程中無握手失敗現象。
關鍵詞：USB；RS232C；通訊；接口
隨著計算機技術的發展，具有熱插拔功能的USB接口逐漸取代了RS232C接口，使得采用RS232C通訊的舊式設備應用受到限制。此外，由于RS232C通訊接口編程簡單，控制靈活，大多數MCU仍然把它作為一個標準模塊固化在其外圍電路當中。目前，市面上雖然有一些成型的USB／ RS232C轉換產品，但功能比較簡單，只支持3線通信方式，并且與PC端的串口應用程序不完全兼容，使用過程中經常出現握手失敗的情況。本文根據實際情況中PC的USB接口使用情況，設計了兩款產品，在芯片廠家提供的驅動程序下，僅需少量編程即可滿足USB與RS232C接口的轉換問題，以及實現MCU與PC之間的USB串口通信。
1 CH341A簡介
CH341A是南京沁恒公司生產的USB總線轉接芯片，其引腳排列如圖1所示。當CH341A工作在異步串口模式時，CH341A提供串口發送使能、串口接收就緒等交互式的速率控制信號以及常用的MODEM聯絡信號，用于為計算機擴展異步串口，或者將普通的串口設備直接升級到USB總線。
異步串口方式下CH341A芯片的引腳包括：數據傳輸引腳、硬件速率控制引腳、工作狀態引腳、MODEM聯絡信號引腳、輔助引腳。
數據傳輸引腳包括：TXD引腳和RXD引腳。串口空閑時TXD和RXD為高電平。硬件速率控制引腳包括：TEN#引腳和RDY#引腳。TEN#是串口發送使能，當其為高電平時，CH341將暫停從串口發送數據，直到TEN#為低電平才繼續發送。RDY#引腳是串口接收就緒，當其為高電平時，說明CH341還未準備好接收，暫時不能接收數據，其原因可能是芯片正在復位、USB尚未配置或者已經取消配置、或者串口接收緩沖區已滿等。
工作狀態引腳包括：TNOW引腳和ROV#引腳。TNOW以高電平指示CH341正在從串口發送數據，發送完成后為低電平，在半雙工串口方式下，TNOW可以用于指示串口收發切換狀態。ROV#以低電平指示CH341A內置的串口接收緩沖區即將或者已經溢出，后面的數據將有可能被丟棄，正常情況下接收緩沖區不會溢出，所以ROV#應該為高電平。MODEM聯絡信號引腳包括：CTS#引腳、DSR#引腳、RI#引腳、DCD#引腳、DTR#引腳、RTS#引腳。所有這些MODEM聯絡信號都是由計算機應用程序控制并定義其用途，而非直接由CH341控制，如果需要較快的速率控制信號，可以用硬件速率信號代替。
CH341A芯片的ACT#引腳用于USB設備配置完成狀態輸出。當USB設備尚未配置或者取消配置后，該引腳輸出高電平，當USB設備配置完成后，該引腳輸出低電平。CH341A芯片內置USB上拉電阻，UD+和UD-引腳可直接連接到USB總線上。CH341A芯片內置電源上電復位電路，RSTI引腳用于從外部輸入異步復位信號；當RSTI引腳為高電平時，CH341A芯片被復位；當RSTI引腳恢復為低電平后，經過20 ms左右的復位延時后，進入工常工作狀態。
CH341A內置了獨立的收發緩沖區，支持單工、半雙工或者全雙工異步串行通訊。串行數據包括1個低電平起始位、5～8個數據位、1或2個高電平停止位，支持奇校驗／偶校驗／標志校驗／空白校驗。CH341A支持常用通訊波特率：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的通訊操作采用虛擬形式，在計算機端安裝好驅動程序后，即將USB接口虛擬成RS232接口，便可利用RS232通訊協議對USB進行操作。CH341A設備驅動程序安裝成功，并與計算機可靠連接后，在“設備管理器”中顯示的信息如圖2所示。
2 轉換器設計
2．1 USB／RS232轉換器
該轉換器只應用于USB接口或RS232接口不夠，需采用RS232進行通訊的場合。利用CH341A進行USB與標準9線RS232串口轉換的電路原理圖如圖3所示，該轉換器在上位機驅動程序的管理下，無需二次編程開發。由于轉換器功耗很小，由USB端口提供電源；在CH341A的XI、XO引腳接入12M晶振，以提供芯片內部時基，起振電容C13、C14為20pF。將轉換器與計算機通過USB接口連接后，發光二極管VD1被點亮，表示CH341A配置完成，可以進行后續操作。電平適配轉換芯片采用MAX223，其外圍電容器件用穩定性能較好的鉭電解電容，容值為1μF。MAX223支持掛起狀態，當SHDN引腳為低電平時，MAX223進入掛起狀態，由于CH341A支持的通訊波特率能滿足大多數要求，故本設計中把SHDN直接接高電平。
本設計采用MAX223是為了減小產品體積，實現標準9線RS232串口的轉換，在實際成型產品中，可以采用3個MAX232代替，由于外圍電容以及集成電路數量的增加，轉換器的體積也會隨之增大。在大多數場合，3線串口即可滿足要求，如STC系列單片機的ISP程序下載應用，此時，可采用小型化的CH341T及單片MAX232進一步減小體積。
利用串口調試助手對轉換器進行通訊測試的結果如圖4所示。測試過程中，轉換器與計算機連接后虛擬端口為COM3，利用RS232標準線纜將轉換器與另一臺計算機的COM1端口相連。通訊采用的波特率為9 600，8位數據位，1位停止位，無校驗位，2個端口每隔1 000 ms自動發送數據。由圖4可見，該轉換器能夠在不同計算機的USB／RS232端口間進行可靠通訊。此外，采用2個轉換器，可實現不同計算機間的USB通訊，經測試工作可靠。
2．2 MCU與PC之間USB通訊適配
該適配電路適用于計算機無RS232接口，卻需進行RS232通訊的數據采集系統，MCU進行底層相關數據的采集與存儲，然后在上位機的控制下通過適配電路進行數據的傳遞。MCU與PC機通過USB接口進行通訊的適配器原理電路如圖5所示，在本設計中MCU采用microchip公司的PIC1 6F877A，利用MCU的串口模塊，可以與CH341A直接構成3線串口通訊方式，經過CH341A轉換后，通過USB接口與PC機相連。當PC串口通訊波特率較高或者單片機來不及接收，利用MCU的RD0引腳控制CH341A的TEN#引腳，當MCU空閑且可以接收串口數據時置TEN#為低電平，當單片機較忙或者不便于接收串口數據時置TEN#為高電平。使CH341A暫停發送下一個字節，實現速率控制。
單片機軟件流程如圖6所示，系統初始化完成I／O口、看門狗等設置；串口初始化進行波特率、檢驗位、通訊方式等設置。
上位機軟件向單片機發送一個指令，當單片機檢測到該指令后判斷是否有鍵按下，如果有，則進行相應鍵值的判斷，根據鍵值的不同向上位機發送不同的數據。在對本電路測試中，上位機指令代碼為“CCh”，單片機發送的數據與鍵值相對應，如按下1號鍵，發送數據“01h”，測試結果如圖7所示。
上述兩種產品結構緊湊，體積小巧，通訊可靠，可以滿足絕大多數應用場合的需求，但在通訊速率的設置上，應盡量采用CH341推薦的波特率，否則可能出現通訊異常的情況。
實際上，CH341推薦的波特率基本涵蓋了各類通訊軟件及產品所采用的波特率，也與51系列MCU采用11．059 2 MHz晶振時設置的波特率相兼容，因此，推薦波特率也可以滿足各種場合的需求。
3 結束語
CH341A作為一種新型的、功能強大的USB接口轉換芯片，可以工作在多種模式，且接線簡單、控制方便、使用靈活，可滿足用戶的多種需求。由于CH341A屏蔽了USB接口的底層協議，可以方便地在嵌入式系統中增加USB接口，無需電平轉換器件，在驅動程序的控制下直接與PC機通訊，極大地方便了用戶，縮短開發周期、減少研發費用。