【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COM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MAX761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（10.5±0.5）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（4～7）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95mΩ，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。
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