采用CP2101将USB口扩展成串口

引言

    CP2101及其升级产品CP2102是美国Silicon公司推出的USB-UART桥接电路。该电路的集成度高，内置USB2.0全速功能控制器、USB收发器、晶体振荡器、EEPROM及异步串行数据总线（UART），支持调制解调器全功能信号，无需任何外部的USB器件。功能强大，采用MLP-28封装，尺寸仅为5mm×5mm，占用空间非常小。

    与其他USB-UART转接电路的工作原理类似，CP2101通过驱动程序将PC的USB口虚拟成COM口以达到扩展的目的。虚拟COM口（VCP）的器件驱动程序允许一个基于CP2101的器件以PC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PC上的应用软件以访问一个标准硬件COM口的方式访问基于CP2101的器件，PC与CP2101间的数据传输是通过USB完成的，因此，无需修改现有的软件和硬件就可以通过USB向基于CP2101的器件传输数据。

1 CP2101的特性

    CP2101的体积虽小但功能非常强大，其主要特性如下：

·内含USB收发器，无需外接电路器；

·内含时钟电路，无需外接振荡器；

·其内部512字节的EEPROM可用于存储产品生产商的ID、产品的ID序列号、电源参数、器件版本号和产品说明；

·内含上电复位电路；

·片内电压调节可输出3.3V电压；

·符合USB2.0规范的要求（12Mb/s）；

·SUSPEND引脚支持USB状态挂起；

·异步串行数据总线（UART）兼容所有握手和调制解调器接口信号；支持的数据格式为数据位8、停止位1、2和校验位（包括奇校验、偶校验和无校验）；

·波特率范围为300b/s～921.6kb/s；

·内含512字节接收缓冲器和512字节发送缓冲器；

·支持硬件或X-On/X-Off握手；

·支持事件状态。

    此外，通过厂商及销售商免费提供的、适用于Windows(含Windows CE)、Linux、Mac OS-X等多个操作系统的驱动程序，可省去CP2101系列器件二次开发的投入。这样，在一般情况下，焊接完毕并安装好驱动程序即可使用。

2 工作原理

    CP2101的内部结构及外部基本连接电路如图1所示。由图1可见，用CP2101进行串口扩展所需的外部器件非常少，仅需3只去耦电容器即可，使用起来非常方便。

    2．1 USB功能控制器和收发器

    CP2101中的USB功能控制器是一个符合USB2.0的全速电路，带有收发器和相应的片内上拉电阻器。USB功能控制器管理USB与UART间的所有数据传输，以及由USB主控制器发出的请求命令和用于控制UART功能的命令。通过USB挂起和恢复信号可支持CP2101及外部电路的电源管理。当在总线上检测到挂起信号时，CP2101将进入挂起模式。在进入挂起模式时，CP2101会发出SUSPEND和SUSPEND信号，同时，在CP2101复位后，CP2101也会发出该信号直到USB要求的器件配置完成。CP2101的挂起模式会在下述任何一种情况出现时被取消：

（1）检测到继续信号或产生继续信号时；

（2）检测到一个USB复位信号；

（3）器件复位。

    在退出挂起模式时SUSPEND和SUSPEND信号被取消。

    需要注意的是SUSPEND和SUSPEND和CP2101复位期间会暂时处于高电平，如果要避免这种情况，可以使用一个大的下拉电阻器（10kΩ）来确保SUSPEND在复位期间处于低电平。

    2．3 异步串行数据总线（UART）接口

    CP2101的UART接口包括TX发送、RX接收数据信号，以及RTS、CTS、DSR、DTR、DCD和RI控制信号。UART支持RTS/CTS、DSR/DTR和X-On/X-Off握手，还可以通过编程使UART支持各种数据格式和波特率。UART的数据格式和波特率编程可在PC上进行。表1所列是CP2101串行总线的数据格式和波特率。

表1 CP2101串行总线的数据格式和波特率

数据位 8 
停止位 1 
校验位 无校验、奇校验、偶校验 
波特率 300，600，1200，1800，2400，4800，7200，9600，14400，19200，28800，38400，56000，57600，115200，128000，230400，460800，921600 

    这里还需注意的是，CP2101异步串行数据总线的数据位和停止位是固定的，也就是说，在实际使用中可以通过软件改变校验位和波特率，但是，改变数据位和停止位会在通讯中出现异常现象。

    2．3 内部EEPROM

    CP2101内部集成了一个EEPROM，可用于存储由设备原始制造商定义的USB供应商的ID、产品的ID说明、电源参数、器件版本号和器件序列号等信号。USB配置数据的定义是可选的。如果EEPROM没有被OEM的数据占用,则采用默认方式配置数据。注意，尽管如此，对于可能使用多个基于CP2101的器件连接到同一个PC的OEM应用来说，它们需要一个专一的序列号。

    内部EEPROM可通过USB进行编程，以便OEM的USB配置数据和序列号可以在制造和测试时直接写入到系统上的CP2101中。Silicon公司提供一种专门为CP2101内部EEPROM进行编程的工具，同时还提供一个Windows DLL格式的程序库。该程序库可在制造过程中将EEPROM编程步骤集成到OEM中，以便用自定义软件进行流水线式测试和序列号的管理。EEPROM的写寿命典型值为100,000次，数据保持时间为100年。

3 应用实例

    CP2101的实际应用参考电路如图2所示。该电路经过制板和调试，证明是完全可行的。

    （1）以上电路支持全功能串行通信应用。为了确保数据收发的稳定性，避免通信过程中的干扰，还可以在USB接口端添加滤波电路。

    （2）电路中采用的多通道RS-232收发器是Maxim公司的MAX241系列或MAX223等系列电路（详情请参看MAXIM公司RS-232收发器数据手册），该系列支持在挂起状态（当CP2101进入挂起状态时，SUSPEND引脚变为高电平，从而使RS-232收发器亦进入挂起状态），保持接收外界数据有效。在使用电路时，需要注意EN引脚及SHDN引脚的正确连接。在很多简单的串行通信中，仅使用TXD/RXD二个引脚的信号，在这种情况下可以使用通道数更少，封超更小的RS-232收发器。

    （3）CP2101的底部有大片金属，在芯片内部接地。因此在制板时一定要保证没有非接地通孔在CP2101的中间通过，或者保证通孔不与其发生短路。为了保证电路工作的可靠性，建议不要在CP2101焊接面板层的中间部分进行布线。

    （4）CP2101的UART总线上的信号能够被单片机等直接识别，因此应根据具体应用要求决定是否需要进行电平转换。

4 结束语

    CP2101是一款功能强大的USB-UART桥接电路，5mm×5mm的外型使其占用空间非常小，用它将USB口扩展成串口非常简单易行。同时由于其内部存储产品的ID等信息的寄存器可以直接通过USB口改写，因此用其开发相关产品还有省时省力的优点。唯一遗憾的是，由于UART本身的限制，其最大波行率只能达到921600b/s，不能发挥USB2.0并没有多大的意义。目前，CP2101的升级产品CP2102已经面市。