CN111984571A - 一种基于usb的特定双串口数据传输系统 - Google Patents

一种基于usb的特定双串口数据传输系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于USB的特定双串口数据传输系统，第一接口电路与PC端连接通信，由PC端向其输入5V电源，包括MicroUSB插槽、4通道ESD保护阵列芯片、接地电阻和调试电阻；源电路由第一接口电路向其输入VCC电源，源电路向第二接口电路输出5V电源，向转USB电路输出VDD电源；第二接口电路与转USB电路为双串口连接通信，其MicroUSB接头的5个接口定义依次为电源正极、第一串口读信号、第一串口写信号、第二串口读或写信号和电源负极；转USB电路将双串口传输转为USB传输。本发明不仅解决了双串口数据传输转USB数据传输功能问题，还合理化PC接口、目标设备接口间的源供给逻辑，解决了上述三者间的数模电串扰问题和ESD保护问题。

Description

一种基于USB的特定双串口数据传输系统
技术领域
本发明属于数据传输领域，涉及一种基于USB的特定双串口数据传输系统。
背景技术
串口是嵌入式系统设计中非常重要的接口技术，普遍应用于工业生产、医学仪器、楼宇自动化、汽车电子等多个领域的嵌入式设备中，用于对设备的控制和相关数据的流动。而USB接口是计算机应用最广泛的接口，用于规范电脑与外部嵌入式设备的连接和通信；在如今的PC和laptop中几乎不使用串口了。因此要实现用计算机设备去控制一些面向特定应用的串口嵌入式设备及采集目标数据，串口转USB技术显得尤为重要。
串口转USB技术，即实现通用串口数据与USB接口数据的转换，使用了串口转USB模块的设备等同于将传统的串口设备变成了即插即用的USB设备。目前市面上具备串口转USB功能的芯片非常多，如FT232、CH340、PL2303等；与之对应的串口转USB模块更是层出不穷。然而当控制网络的不断扩大，网络节点的不断增多，计算机设备往往需要和多个嵌入式设备通信；而多串口转USB技术的出现完美地解决了，计算机USB接口数量与需要通信的嵌入式设备串口数量不匹配，这一矛盾，更有效地减小了控制网络的复杂度。
近年来，PCB技术的进步使得嵌入式设备能做得越来越小。技术革新推动着设计需求的提高，消费者期望产品越来越精致，设计者则需要进一步压缩嵌入式设备的体积，提高PCB空间的利用率。这不仅需要提高PCB布局技巧，更需要有效减少嵌入式设备通信接口的种类和数量。在汽车电子、医学仪器等多个领域，许多嵌入式设备的PCB都采用HDI(高密度互连)板，且都只有两个串口，一个原始数据串口，一个配置/控制数据串口；其中有相当一部分嵌入式设备的原始数据串口是单向的(其数据发通道或收通道一直处于未使用状态)。根据这种普遍的现象，有一个大胆的设想：是否可以“去掉”那个未使用的数据通道，将这两个串口的其余三个数据通道结合源(VCC)、地(GND)形成一个新的数据传输协议，从而达到减少嵌入式设备通信接口数量的目的。
目前，现有技术的串口接口基本上采用排针、排座、9针接口或是一些如OSTTE0XXXXX的大端子。这些接口的共同特点就是体积大，在PCB上放置这些器件会特别占用空间，尤其在HDI板上。另一个方面，类似排针排母这些器件不适合传输频率较高的信号，满足不了大多数射频或精密应用的需求。
发明内容
为解决上述问题，本发明的技术方案为：一种基于USB的特定双串口数据传输系统，包括源电路、第一接口电路、第二接口电路和转USB电路，所述转USB电路与源电路、第一接口电路和第二接口电路分别连接，所述源电路与第一接口电路和第二接口电路分别连接，其中，
所述第一接口电路与PC端连接通信，由PC端向其输入5V电源，包括MicroUSB插槽、4通道ESD保护阵列芯片、接地电阻和调试电阻，所述MicroUSB插槽与PC端通过USB方式通信，MicroUSB插槽与4通道ESD保护阵列芯片连接，接地电阻与MicroUSB插槽的外壳连接，调试电阻设置两个，分别与MicroUSB插槽和4通道ESD保护阵列芯片连接；
所述源电路可选择由第一接口电路向其输入由PC端供给的VCC电源或由第二接口电路向其输入由目标设备供给的电源，或源电路经第二接口电路向目标设备供电，源电路还向转USB电路输出VDD电源，源电路包括线性稳压器，将5V隔离降压至VDD；
所述第二接口电路与转USB电路为双串口连接通信，包括MicroUSB接头和与MicroUSB接头外壳连接的接地电阻，所述MicroUSB接头的5个接口定义依次为电源正极、第一串口读信号、第一串口写信号、第二串口读或写信号和电源负极，对MicroUSB接头的接口定义命名为MU-Uart传输协议；
所述转USB电路将双串口传输转为USB传输。
优选地，所述4通道ESD保护阵列芯片为TPD4E004DRYR芯片。
优选地，所述线性稳压器为TPS79601DRBR芯片。
优选地，所述转USB电路包括CP2105芯片。
优选地，所述转USB电路包括FT2232D芯片。
优选地，所述转USB电路包括STM32F103C8T6芯片。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明定义了一种新的数据传输协议——双串口协议，可命名为MU-Uart协议，MU是MicroUSB的缩写，该协议简化了特定双串口嵌入式设备的数据传输方式和电源供给方式。采用适用性强(可万次拔插)的MicroUSB接口封装双串口协议进一步扩大了本发明模块和采用该协议的嵌入式设备的应用领域。本发明不仅解决了双串口数据转USB数据功能问题，还合理化PC接口、第一接口电路、第二接口电路和目标设备接口间的源供给逻辑，解决了上述三者间的数模电串扰问题和ESD保护问题。本发明小巧精致，对外仅有一个MicroUSB接头和一个MicroUSB插槽，便携性高，实用性强，有望成为更多嵌入式设备开发的重要工具。
附图说明
图1为本发明具体实施例的基于USB的特定双串口数据传输系统的结构框图；
图2为本发明具体实施例的基于USB的特定双串口数据传输系统的第一接口电路原理图；
图3为本发明具体实施例的基于USB的特定双串口数据传输系统的源电路原理图；
图4为应用本发明具体实施例的基于USB的特定双串口数据传输系统的第二接口电路原理图；
图5为应用本发明一具体实施例的基于USB的特定双串口数据传输系统的转USB电路原理图；
图6为应用本发明又一具体实施例的基于USB的特定双串口数据传输系统的转USB电路原理图；
图7为应用本发明再一具体实施例的基于USB的特定双串口数据传输系统的转USB电路原理图；。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
参见图1，本发明包括源电路10、第一接口电路20、第二接口电路30和转USB电路40，转USB电路40与源电路10、第一接口电路20和第二接口电路30分别连接，源电路10与第一接口电路20和第二接口电路30分别连接，其中，
第一接口电路20与PC端50连接通信，由PC端50向其输入5V电源，包括MicroUSB插槽、4通道ESD保护阵列芯片、接地电阻和调试电阻，MicroUSB插槽与PC端50通过USB方式通信，MicroUSB插槽与4通道ESD保护阵列芯片连接，接地电阻与MicroUSB插槽的外壳连接，调试电阻设置两个，分别与MicroUSB插槽和4通道ESD保护阵列芯片连接；
源电路10可选择由第一接口电路20向其输入由PC端50供给的VCC电源(5V)或由第二接口电路30向其输入由目标设备60供给的电源(5V)，或源电路10经第二接口电路30向目标设备60供电(5V)，源电路10还向转USB电路40输出VDD电源，源电路10包括线性稳压器，将5V隔离降压至VDD；
第二接口电路30与转USB电路40为双串口连接通信，包括MicroUSB接头和与MicroUSB接头外壳连接的接地电阻，MicroUSB接头的5个接口定义依次为电源正极、第一串口读信号、第一串口写信号、第二串口读或写信号和电源负极；转USB电路40将双串口传输转为USB传输，对MicroUSB接头的接口定义命名为MU-Uart传输协议。
具体实施例中
第一接口电路20的原理图参见图2，包括标准的MicroUSB插槽J1；U10是TI公司的高速数据接口4通道ESD保护阵列芯片TPD4E004DRYR；R7是MicroUSB插槽外壳的接地电阻；R175、R176为调试0欧姆电阻。
源电路10原理图参见图3，源电路10的供给逻辑如下所述：
1.PC端50通过第一接口电路20可选择性给源电路10供电；
2.目标设备60通过第二接口电路30可选择性接受源电路10供电或是给源电路10供电。
3.源电路10须通过PC端提供的电源(经第一接口电路20)或目标设备60提供的电源(经第二接口电路30)接入供电。
源电路10由VCC(USB源)、5V(双串口源)和4.5V(双串口转USB电路40的源，即VDD)组成，其中：C3、C4是VCC源的滤波电容；R5为VCC源和5V源的衔接电阻，需根据具体的源供给关系选择性焊接；L1、L2为LED，用于检测5V源和4.5V源是否正常，R8为L1的限流电阻，R9为L2的限流电阻；除了要实现PC端50和目标设备60电源上的承接，更要实现数据上的承接，因此需要着重考虑数模电串扰问题，故采用TI公司的LDO芯片TPS79601DRBR实现5V源到4.5V源的隔离压降，大大降低了数模电间的串扰；C79、C80是5V源的滤波电容，C77为4.5V源的滤波电容；此外，需要强调一点，VDD源需根据具体的转USB电路40实现方案决定，该方案为了方便说明，VDD采用4.5V，可以通过改变R156、R157和C78的值来调节VDD的值，其相关公式如下：
Figure BDA0002592813780000061
Figure BDA0002592813780000062
转USB电路40采用CP2105和FT2232D为核心芯片的方案，VDD均可采用4.5V，但是如采用STM32F103C8T6方案或者其它芯片方案，则需要根据具体芯片的电源要求确定VDD的值，并用上述两个公式重新计算R156、R157、C78。
第二接口电路30的原理图参见图4，采用标准的MicroUSB接头J2，数据走特定双串口协议；R8为MicroUSB接头外壳的接地电阻。
转USB电路40的以CP2105芯片为核心的原理图参见图5，R1、R3、R4、R5、R6是调试0欧姆电阻连接着相应的数据信号；C5、C6为CP2105器件内置电源VIO的滤波电容；C7为4.5V源在该器件管脚附近的滤波电容。
转USB电路40的以FT2232D芯片为核心的原理图参见图6，X1为该芯片所需的晶振，C1、C2为该晶振的负载电容；R1、R2为USB数据信号的连接电阻；R3、R4的位置由该芯片的电气要求决定。
转USB电路40的以STM32F103C8T6芯片为核心的原理图参见图7，X1和Y1是该芯片所需的晶振；C7、C8是Y1的负载电容，C9、C10是X1的负载电容；C11、C12、C13、C14、C16是3V3源的滤波电容；J8是该芯片烧写程序的管脚接口端子；C2、S1、R1组成该芯片的复位电路；R10是该芯片BOOT0管脚的下拉电阻，R14是该芯片BOOT1管脚的下拉电阻，用于配置芯片启动模式；R9、R13是用于调试的0欧姆电阻；R18、R19为USB数据信号的连接电阻，R20为USB“+”数据信号的上拉电阻。
本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于MicroUSB接口的特定双串口数据传输系统，所谓的特定双串口，指的是一个原始数据串口和一个配置/控制数据串口，而这个原始数据串口只有读信号或是写信号。
本发明中的串口专指Uart，Uart是一种异步串口，其RX(读)信号和TX(写)信号不存在时钟上的关联，可以同时通信。在汽车电子、医学仪器等许多领域的嵌入式设备中都会布置一个配置/控制数据串口和一个原始数据串口。配置/控制数据串口都是双向的，用于计算机/主设备对目标设备60发送控制命令或配置信息及目标设备60对计算机/主设备命令的响应；而原始数据串口，在许多应用中都是单向的，如车载传感器的原始数据串口只向ECU(行车电脑)写传感数据，串口显示设备、打印机等执行设备的原始数据串口只负责读PC的数据。单向的数据串口可以仅用一个单向的数据通道(RX/TX)组成。
MicroUSB是USB 2.0标准的一个便携版本，MicroUSB接口比标准USB和MiniUSB接口更小，具有高达10000次的插拔寿命和强度，盲插结构设计。MicroUSB标准支持USB的OTG功能，即在没有主机(例如PC)的情况下，便携设备之间可直接实现数据传输，兼容USB1.1(低速:1.5Mb/s,全速:12Mb/s)和USB2.0(高速:60Mb/s)，同时提供数据传输和充电，特别适用于高速(HS)或更高速率的数据传输，是连接小型设备(如手机，PDA，数码相机，数码摄像机和便携数字播放器等等)的最佳选择。
MicroUSB接头标准定义如下表1所示：
表1 MicroUSB接头标准定义
Figure BDA0002592813780000071
本发明将MicroUSB接头重新定义为如下表2所示：
表2 本发明MicroUSB接头定义
Pin 名称 描述
1 VCC 电源正极、供电接口
2 RX1 串口1(配置、控制数据串口)读信号
3 TX1 串口1(配置、控制数据串口)写信号
4 RX2/TX2 串口2(原始数据串口)读或写信号
5 GND 电源负极、公共地线
这里要申明一下，以上的MicroUSB接头重新定义并不是篡改MicroUSB数据传输协议，而是以已有MicroUSB接头结构为硬件基础定义的一种新的数据传输协议(不属于USB协议范畴)。本发明特定双串口转USB功能服务的对象就是采用上述数据传输协议的嵌入式设备。

Claims (6)

1.一种基于USB的特定双串口数据传输系统，其特征在于，包括源电路、第一接口电路、第二接口电路和转USB电路，所述转USB电路与源电路、第一接口电路和第二接口电路分别连接，所述源电路与第一接口电路和第二接口电路分别连接，其中，
所述第一接口电路与PC端连接通信，由PC端向其输入5V电源，包括MicroUSB插槽、4通道ESD保护阵列芯片、接地电阻和调试电阻，所述MicroUSB插槽与PC端通过USB方式通信，MicroUSB插槽与4通道ESD保护阵列芯片连接，接地电阻与MicroUSB插槽的外壳连接，调试电阻设置两个，分别与MicroUSB插槽和4通道ESD保护阵列芯片连接；
所述源电路可选择由第一接口电路向其输入由PC端供给的VCC电源或由第二接口电路向其输入由目标设备供给的电源，或源电路经第二接口电路向目标设备供电，源电路还向转USB电路输出VDD电源，源电路包括线性稳压器，将5V隔离降压至VDD；
所述第二接口电路与转USB电路为双串口连接通信，包括MicroUSB接头和与MicroUSB接头外壳连接的接地电阻，所述MicroUSB接头的5个接口定义依次为电源正极、第一串口读信号、第一串口写信号、第二串口读或写信号和电源负极，对MicroUSB接头的接口定义命名为MU-Uart传输协议；
所述转USB电路将双串口传输转为USB传输。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述4通道ESD保护阵列芯片为TPD4E004DRYR芯片。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述线性稳压器为TPS79601DRBR芯片。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述转USB电路包括CP2105芯片。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述转USB电路包括FT2232D芯片。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述转USB电路包括STM32F103C8T6芯片。
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