RS 232自1969年由美國電氣工業協會(EIA)推薦以來，由于接口和通信協議比較簡單，因而在計算機串行通信領域得到了廣泛的應用，開發出了大量的以RS 232為接口的各類產品。但隨著USB總線規范的推出，使得外設到計算機的連接更加高效、便利，功率不大的外圍設備可以直接通過USB數據線供電，而不必外接電源。USB總線最大可以提供5 V/500 mA電流，并提供節約能源的掛機和喚醒模式。此外，由于USB用于上行和下行連接頭的機械特性不同，還可以防止非法連接。根據USB協議，理論上最多可以同時將127個外設連接在同一臺計算機上。同時基于USB的數據通信系統，可使采集系統與計算機之間的數據交換具備廣泛的適用性。USB是目前計算機的標準配置，采用此方案可以使用任何一臺計算機進行數據通信。但是目前仍然有許多使用RS 232串行接口的控制設備、儀器儀表、遠程終端等運行在諸多應用領域中，立即將其改造為USB方式顯然存在成本及實施方面的問題。為適應USB廣泛流行的現實，有必要開發USB-RS 232接口轉換卡，在它的支持下，這些傳統的設備無須改造，即可通過其原有的RS 232接口與USB總線接口實現數據傳輸。
1 USB-RS 232轉換卡的組成及其工作原理
1．1 組成
USB-RS 232轉換卡的設計原理框圖如圖1所示，由USB接口模塊、UART接口模塊、數據緩沖區和協議控制單元組成。各部分功能如下：
USB接口模塊 主要提供與USB總線的連接，它需要實現一般USB設備接口的所有功能，以實現與USB主機的數據傳輸。
UART接口模塊 實現標準的RS 232接口的所有功能，以實現與標準RS 232接口的連接。
協議控制單元 通過接收USB接口的命令，對UART接口進行配置(如配置通信波特率、數據位、校驗位、停止位、數據量控制信號等)。
數據緩沖區 用來臨時保存雙方數據傳輸過程中的數據。
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1．2 工作原理
下面以計算機與外設的數據傳輸為例，介紹USB-RS 232轉換卡的工作原理：
當USB-RS 232轉換卡連接到USB總線上時，計算機檢測到設備的連接后對設備進行初始化配置并啟動相關的客戶驅動程序；驅動程序給設備發送配置命令以設置RS 232接口的數據傳輸特性；最后，在數據傳輸時，計算機上的驅動程序首先將數據包傳輸給USB接口，USB接口讀出實際的有效數據并保存在數據緩沖區中，UART接口則從數據緩沖區中將數據取走并發送給設備。
2 USB-RS 232轉換卡的設計
2．1 協議轉換模塊的設計
根據原理框圖，選擇恰當的協議轉換模塊是設計該卡的關鍵。設計轉換卡的方法有好幾種：一種方法是采用通用的USB控制器，利用其內置的通用異步收發器(UART)在USB與RS 232之間進行信號轉換，例如EZ-USB，PIC16C745，CY7C63001等，若沒有內置UART，也可以利用通用I/O接口模擬RS 232的收發過程；另外還可以采用單獨的USB接口收發器芯片，如ISP1581，PDI-USBD11/12等，但這種方法需要另配微控制器才能工作；第三種就是采用專用的USB與RS 232轉換芯片，如CH341芯片，這種芯片的優點是數據接收和發送的協議轉換工作全部由芯片獨立完成，無需干預，也不用編寫芯片的固件。本文采用CH341的簡裝版CH341T來設計USB-RS 232轉換卡。圖2是一個利用CH341T和MAX232進行USB接口設計的硬件框圖。如圖所示，該硬件系統由4部分組成：USB接口、CH341T、MAX232和RS 232接口。其中，USB接口用于連接USB主機，在此選用USB總線接口的A型連接頭；CH341T用于完成USB接口轉RS 232接口的所有硬件功能；MAX232用于完成RS 232與TLL/CMOS的電平轉換；RS 232接口用于連接RS 232設備。根據實際需要，選擇目前廣泛應用的DB9連接器。
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2．2 硬件電路設計
設計USB轉RS 232串口的硬件連接圖如圖3所示。USB總線包括一對5 V電源線和一對數據信號線。通常，+5 V電源線為紅色；接地線為黑色；D+信號線為綠色；D-信號線為白色。USB總線提供的電源電流最大可以達到500 mA，CH341T芯片可以直接使用USB總線提供的5 V電源。C3和C4是高頻瓷片電容，C3容量一般為4 700 pF～0．02 μF，用于CH341T內部電源節點的退耦；G容量為0．1μF，用于外部電源的退耦。晶振X1、電容C1和C2用于時鐘振蕩電路。X1的頻率是12 MHz，C1和C2是容量為15～30 pF的高頻瓷片電容。MAX232提供電平轉換。
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2．3 驅動程序
連接USB-RS 232轉換卡的計算機，必須安裝CH341T的驅動程序CH341SER．EXE，當模塊首次連接到計算機的USB端口時，計算機提示找到新硬件，按照提示完成驅動程序的安裝。
安裝完驅動程序后，可以通過計算機的USB接口提供仿真串口。在邏輯功能方面，使用方法與普通計算機串口完全相同，支持大多數常用的串口監控及調試工具程序，應用程序可以不做任何修改，可以像存取一個標準的物理串口一樣訪問這個虛擬串口，在保持軟硬件兼容的前提下，將原串口產品轉換為USB接口。
3 板卡性能測試方法及其結果
3．1 設備驅動層通信功能測試
USB-RS 232轉換卡的性能需要借助可靠的工具來進行測試。利用CH341芯片制造商提供的USB測試程序進行調試，點擊搜索CH341串口，出現CH341的串口號為“COM3”的字樣(因為目前電腦上已經有兩個串口)，這說明USB-RS 232設備已經成功連接到計算機上。
3．2 應用層通信功能測試
本文利用具有RS 232接口的網絡型溫濕度傳感器來進行測試，該傳感器通過本文研制的USB-RS 232轉換卡連接，該卡一端接傳感器，一端接計算機。在圖4下設置串口的端口號以及幀格式，保證傳感器與計算機的協議設置是一致的。設置好相關參數后，把傳感器接到轉換卡上，運行傳感器測試程序后出現如圖5的畫面，經長時間拷機后傳感器工作正常，這說明RS 232接口的外設(溫濕度傳感器)經過USB-RS 232轉換卡可以在USB接口上使用，也說明該轉換卡實現了RS 232協議到USB協議的轉換。
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4 使用和調試中的關鍵問題
4．1 操作系統識剮不到轉換卡
USB-RS 232轉換卡是即插即用的USB設備，正在使用轉換卡進行數據傳輸的過程中，不可以將其物理斷開，必須在應用程序關閉該串口后，轉換卡才可以從USB插座中拔出。如果在應用程序使用轉換卡的過程中，轉換卡從USB插座中斷開，那么應用程序應該盡快關閉轉換卡并退出(關閉及退出可能需要數秒時間)。如果在轉換卡通信過程中發生錯誤，極有可能是轉換卡已經物理斷開，所以在檢測到錯誤后建議關閉轉換卡，稍等2 s后再重新打開串口通信。采用設備事件通知的方法可以及時了解轉換卡的連接與斷開，從而使串口應用程序能夠及時打開和關閉轉換卡。
4．2 傳輸數據丟失
如果通信波特率較高，建議設置較大的緩沖區，尤其在windows 98/ME下，線程調度能力和USB實時性都比Windows 2000/XP差，如果串口接收緩沖區較小，那么在通信波特率較高時，接收大量數據會導致串口緩沖區溢出而丟棄數據。由于底層的USB是將多個字節組成數據包后安插到各個1 ms幀中進行傳輸的，所以有可能將串口收發的相鄰的兩個字節實際分割在兩個USB數據包，甚至兩個USB幀中，在最壞情況下這兩個字節在時間上有可能相隔1 ms甚至2 ms。
5 結語
本文詳細介紹了USB-RS 232轉換卡的設計原理，成功設計了以CH341T為例的USB-RS 232轉換卡。經過調試和試用，轉換卡運行正常，成功實現了RS 232接口設備與USB總線的數據傳輸。轉換卡體積小，成本低。使用方便，性能可靠，傳統的RS 232串口設備無需做任何改動即可通過USB口使用。該轉換卡順應市場需要，可以廣泛應用在日常生活與生產實踐中，如：筆記本電腦(大多數新一代筆記本電腦往往沒有RS232的9針串口，卻有4個USB口)、Modem、數碼相機、條碼掃描器、刷卡器、磁卡讀寫器、手機傳輸線、掌上電腦、標簽打印機、POS系統、工業自動化控制機械、安全門禁系統、數據采集器等。通過USB-RS 232轉換卡，這些設備都能在RS 232串口和USB口之間非常容易地建立可靠的連接，通過利用USB接口即插即用和熱插拔的能力給這些RS 232串口設備提供非常容易使用的環境，并大大提高傳輸速率。