Převodník USB na RS232

Milan Horkel, Jakub Kákona

Modul slouží jako univerzální převodník z USB na RS232 s výstupy na straně RS232 v úrovních TTL. Převodník používá obvod FT232R od firmy FTDI. Tyto obvody jsou podporované ve všech rozšířených operačních systémech.

Obrázek modulu USB232R01B

Acrobat PDF verze

Technické parametry

Parametr Hodnota Poznámka
Rozhraní USB 2.0 High Speed
Konektor USB B Standardní velký USB konektor
Spotřeba 15mA / 5V Bez připojeného dalšího zařízení
Signály RXD TXD RTS# CTS# DTR# DSR# DCD# RI# Signály obvyklé na 9pin konektoru, signály pro řízení přenosu s volitelnou polaritou, TTL
Řízení toku Nastavitelné Možno nastavit HW i SW řízení toku dat
Režim spánku Ano Spínač napájení pro externí použití
Vzbuzení PC Ano Pomocí signálu RI#
Rozměry 51x31x18mm Výška nad základnou

Popis konstrukce

Úvodem

Sériový port RS232 se pomalu stává nedostupnou relikvií minulých časů a je třeba začít používat novější rozhraní. Na druhé straně jednočipové mikropočítače jsou velmi dobře přizpůsobeny pro sériovou komunikaci a tak se přirozeným řešením stává převodník USB na sériový kanál.

Pro modul jsme vybrali běžně dostupný obvod FT232RL firmy FTDI. Obvody jsou i v kusovém množství dostupné u firmy ASIX v Praze za velmi rozumnou cenu. Bližší informace na http://www.asix.cz a technické informace a drivery na stránce výrobce http://www.ftdichip.com.

Obvod FT232R

Hlavní vlastnosti obvodu lze shrnout v těchto bodech:

Tento nový obvod od firmy FTDI má některé výhody oproti předchozím verzím:

Zapojení modulu

Zapojení vychází z katalogu součástky a příslušných aplikačních poznámek.

Obvod FT232R má vestavěný vnitřní stabilizátor 3.3V pro signály USB. Toto napětí je vyvedeno na konektor J6 a lze je zatížit až 50mA.

Konektor J5 slouží pro nastavení napětí vstupních a výstupních signálů. Je možno použít rozkmit signálů 5V nebo 3.3V. Jiné úrovně jsou možné (až do 1.8V) ale je třeba dodat příslušné napětí na pin J5.2.

Tranzistor Q1 spíná napětí USB VCC na konektor J4. Toto napětí se automaticky vypne, když počítač přejde do režimu spánku. Aktivací signálu RI# je možno počítač probudit pokud to není v konfiguraci zakázané.

LED diody indikují RX a TX aktivitu. Funkci je možno změnit modifikací obsahu EEPROM.

Schema

Reference Hodnota
Odpory
R4, R5 270R
R3 1k
R1 4k7
R2 10k
Keramické kondenzátory
C1 10nF
C3, C4, C5, C6, C7 100nF
Elektrolytické kondenzátory
C2 4u7/6.3V
Indukčnosti
L1 MI0805K400R-10
Diody
D1 1N4007SMD
D2, D3 LED3mm_RED
Tranzistory
Q1 IRF7416SMD
Integrované obvody
U1 FT232RL
Mechanické součástky
J1 USB_B_01
J2 JUMP2X8
J3, J4 JUMP2X3
J7 JUMP2
J5, J6, J8 JUMP3
Konstrukční součásti
4ks Šroub M3x12
4ks Podložka M3
4ks Sloupek M3x5
1ks Jumper
1ks PCB USB232R0A

Mechanická konstrukce

Převodník je vyroben v podobě standardního modulu stavebnice MLAB. V rozích je opatřen upevňovacími šrouby se sloupky.

Pohled zhora

Pohled ze strany spojů

Osazení a oživení

Osazení

Nejprve osazujeme SMD součástky. Začneme obvodem U1 aby nám nepřekážely ostatní součástky. Je třeba použít pastového tavidla a minimum pájky. Mikropáječka je téměř nezbytností.

Na straně součástí nezapomeňte osadit dvě drátové propojky. Nejvhodnější je tenký lakovaný samopájitelný drátek. Polarita LED diod je označena (A jako anoda).

Osazení ze strany spojů

Osazení ze strany součástí

Oživení

V zásadě není co oživovat. Před prvním zapnutím je vhodné zkontrolovat, zda zařízení nemá zkrat v napájení (konektor J3, napětí 5V).

Konfigurace

Konfigurace se zapisuje do interní paměti EEPROM a je nepovinná. Viz kapitola o driverech.

Programové vybavení – drivery

Drivery, programy a originální dokumentace na stránkách výrobce čipu http://www.ftdichip.com. Aplikační poznámky si zaslouží alespoň zběžné prostudování.

Instalace driverů WinXP

Při prvním připojení převodníku k USB portu si systém vyžádá adresář s drivery. Základní chování je takové, že se pro převodník spustí drivery pro obsluhu zařízení se dvěma aplikačními rozhraními.

Rozhraní Virtual COM Port

Toto rozhraní umožňuje aplikacím přes Win32 COM API komunikovat s převodníkem jako se standardním sériovým portem. Zpřístupnění tohoto rozhraní je možné zakázat v konfiguraci součástky (v paměti EEPROM) nebo v konfiguraci driveru (v příslušném INI souboru).

Pro komunikaci je možno použít libovolný terminálový program a vybrat si nově vzniklý COM port. Na rozdíl od obyčejného COM portu dojde k přerušení spojení mezi programem (terminálem) a USB COM portem kdykoli odpojíme a připojíme USB zařízení. Spojení je pak nutné znovu navázat (u terminálu typicky „zavěsit“ a znovu se spojit).

Rozhraní D2XX API

Toto rozhraní je proprietární rozhraní firmy FTDI a slouží pro komunikaci s obvody FTDI včetně ovládání jejich speciálních funkcí (například programování paměti EEPROM).

Architektura driverů

Nová generace driverů pro obvody FTDI používá koncepci kombinovaného driveru (na rozdíl od dřívějších verzí) a stačí tak jediná sada driverů, která dává k dispozici jak rozhraní pro virtuální COM port tak i proprietární rozhraní FTDI. U nových obvodů (FT232R, FT2232 a podobně) je konfigurace nastavená v paměti EEPROM součástky.

Architektura driverů

Obrázek ukazuje stav, kdy jsou k dispozici obě rozhraní (výchozí konfigurace). Nelze současně využívat obě výše uvedená rozhraní.

Konfigurace součástky

Výchozí konfigurace součástky je celkem rozumná a obvykle není třeba konfiguraci měnit. K nastavování konfigurace součástky slouží program Mprog.exe a je ke stažení na webu výrobce. Po spuštění vypadá takhle:

Program Mprog.exe

Program umožňuje zapsat do konfigurační EEPROM až po uložení vytvořené konfigurace do souboru. Možnosti nastavení jsou patrné a v helpu programu stručně popsané.

Pokud si naprogramujete vlastní USB VID/PID identifikátory bude třeba upravit i příslušné položky v INF souboru driverů.

Základy USB

Podrobnosti na http://www.usb.org. Zde je k dispozici specifikace USB.

Úplné základy

Rychlost na USB se často plete:

Napájení:

Přenos dat:

Komunikace po USB probíhá v rámcích, které se přenášejí vždy po 1 milisekundě (u zařízení Low Speed nebo High Speed). Do každého rámce se snaží obslužné programy (drivery USB) nacpat co nejvíce přenosů. Přednost mají isochronní přenosy (například pro reproduktory), pak data související s interaktivním přenosem (očuchávání klávesnice, přenos přerušení) a teprve zbytek kapacity je vyplněn hromadnými přenosy. Převodník využívá hromadné přenosy.

V žádném případě nelze spoléhat na časování přenosů. Data se přenášejí po paketech a jsou na straně driverů i v obvodu FT232R vyrovnávací paměti pro odesílaná a pro přijímaná data. Jediná správná cesta bezchybného přenosu spočívá ve využití řízení přenosu buď HW signály nebo znaky XON/XOFF.

Přenos dat u obvodu FT232R

Data se přenášejí po paketech o délce až 64B. 2 bajty se použijí pro přenos stavu řídících signálů a zbytek jsou sériová data. Přenos dat probíhá pouze pokud se zaplní vyrovnávací paměť o délce 64B nebo pokud od posledního přenosu uběhla dostatečně dlouhá doba (vyprší Latency Timer s přednastavenou dobou 16ms).

Pokud se změní stav některého z řídících signálů dojde k přenosu v nejbližším milisekundovém rámci. Totéž platí i pro případ přenosu některého znaku pro řízení přenosu (obvykle znaky XON a XOFF).