物联网系统中常见的TTL转USB接口芯片_CH340芯片详解

01

物联网系统中为什么要使用USB 接口芯片

在物联网系统中使用USB接口芯片的原因主要基于USB接口的多种优势及其与物联网设备的兼容性。以下是详细分析：

1、广泛的兼容性与标准化

USB接口已成为消费性和工业电子产品的标准接口之一，具有广泛的兼容性。物联网设备通过集成USB接口芯片，可以方便地与其他具有USB接口的设备进行连接和数据交换，无需担心兼容性问题。

2、高效的数据传输能力

USB接口支持多种数据传输速率，从USB 1.1的12 Mbps到USB 3.x的数千Mbps不等。这种高效的数据传输能力使得物联网设备能够快速地与计算机、服务器或其他设备进行数据通信，满足物联网系统对实时性和高效性的要求。

3、灵活的电力供应

USB接口不仅用于数据传输，还可以为连接的设备提供电力。在物联网系统中，许多设备需要持续供电以保持正常运行。通过USB接口供电，可以简化电源设计，减少设备体积和重量，提高设备的便携性和灵活性。

4、易于扩展和升级

USB接口支持热插拔功能，即在不关闭系统电源的情况下，可以连接或断开USB设备。这使得物联网系统在扩展或升级时更加灵活方便。例如，可以通过USB接口连接新的传感器、执行器等设备，或更新设备的固件和驱动程序。

5、丰富的外设支持

USB接口支持多种外设，包括键盘、鼠标、打印机、摄像头、存储设备等。在物联网系统中，这些外设可以用于数据采集、人机交互、数据存储等多种场景。通过集成USB接口芯片，物联网设备可以轻松地与这些外设进行连接和使用。

6、低功耗设计

尽管USB接口在小型、便携式设备上可能会增加电流消耗，但现代USB接口芯片和技术已经提供了低功耗解决方案。例如，USB Type-C接口提供了更高的电力传输效率，同时支持多种电源管理功能，有助于降低设备的功耗和延长电池寿命。

7、强大的软件支持

USB接口得到了广泛的软件支持，包括操作系统层面的驱动程序和应用程序层面的API接口。这使得物联网设备可以轻松地与各种软件和应用程序进行集成和交互，实现更复杂的功能和应用场景。

8、应用场景

USB接口芯片的应用场景非常广泛，几乎涵盖了所有需要数据传输和连接外部设备的领域。主要包括：

计算机和外围设备连接：如打印机、扫描仪、摄像头、音频设备等。

嵌入式系统：如智能手机、平板电脑、数字相机等。

汽车电子：用于车载娱乐系统、导航系统、安全系统等的数据传输和通信。

医疗设备：用于医疗设备与计算机或其他设备之间的数据传输和监控。

工业控制：在工业自动化和机器人控制中，USB接口芯片用于实现设备之间的数据交互和控制。

综上所述，物联网系统中使用USB接口芯片的原因主要包括广泛的兼容性与标准化、高效的数据传输能力、灵活的电力供应、易于扩展和升级、丰富的外设支持、低功耗设计以及强大的软件支持等。这些优势使得USB接口芯片成为物联网系统中不可或缺的组成部分。

本文会再为大家详解电接口芯片家族中的一员——USB接口芯片。

02

USB接口芯片定义

USB接口芯片是指按照USB总线协议进行通信，并通过内部集成的逻辑电路将USB通信内容转化为其他接口（如SPI、I2C）或电位信号，以控制其他装置（如鼠标、键盘、音箱、GPS等）的芯片。USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）是一种串口总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范，被广泛地应用于个人电脑和移动设备等信息通讯产品，并扩展至摄影器材、数字电视（机顶盒）、游戏机等其它相关领域。

03

USB接口芯片的原理

USB接口芯片的核心是USB控制器，它包含了USB通信协议的处理逻辑和数据缓存功能。当USB设备插入计算机或其他主机设备时，USB接口芯片会检测到设备的插入，并向主机发送插入信号。主机在接收到插入信号后，会发送设备识别请求，芯片会根据请求返回设备的信息。之后，主机和设备之间会进行一系列的数据传输和通信，芯片会负责处理和管理这些数据。当设备被拔出时，芯片会向主机发送拔出信号，主机会断开与设备的连接。

TTL电平、COMS电平、232电平、USB电平信号的主要特性

04

USB接口芯片的分类

  USB接口芯片主要分为三大类：

USB主控制器芯片：主要负责实现主机与USB设备之间的数据传输。

USB集线器芯片：可以将一个USB接口的信号和电力传输到另外几个USB接口。

USB功能设备芯片：主要负责USB接口的连接和中断处理，以及各种USB设备的识别、协议转换和控制等功能。

05

USB接口芯片的选型参数

  在选择USB接口芯片时，需要考虑以下参数：

兼容性：确保芯片支持所需的USB版本（如USB 2.0、USB 3.0、USB 3.1等）和设备类型。

数据传输速度：根据应用需求选择合适的数据传输速度。

功耗：考虑芯片的功耗是否符合设备的电源要求。

封装形式：根据PCB布局和空间限制选择合适的封装形式。

内置功能：如是否需要内置时钟、EEPROM等。

06

不同设备之间USB通信方案选择

  PC机上的通信接口有USB接口，相应电平逻辑遵照USB原则；还有DB9接口（九针口），相应电平逻辑遵照RS-232原则。

  而我们的单片机上的串行通信通过单片机的RXD、TXD、VCC、GND四个引脚，相应电平逻辑遵照TTL原则。

  当然，新手小白买的学习板上肯定都已经集成了类似PL2303、CP2102之类的USB转TTL芯片，相应接口也变成了USB接口；有些学习板上集成的是MAX232之类的TTL转RS-232芯片，相应的接口也变成了DB9接口。

  转换的目的是把电平转换到双方都能识别，下面分类举例：

  情况1：PC机USB口与不带电平转换芯片的单片机通信

  方法：外购USB转TTL模块，如下图所示。该模块一端接入PC机的USB接口，另一端有TXD、RXD、GND、5V、3.3V五个引脚，分别与单片机的RXD、TXD、GND、5V引脚相连，对于采用3.3V供电的单片机则把5V改为3.3V即可。该模块核心就是一块PL2303、CP2102芯片进行USB与TTL电平的转换。

  情况2：PC机USB口与集成了USB转TTL芯片的单片机通信

  方法：直接用USB线连接即可，只是单片机上的USB接口形式有时会不同，根据A-USB、B-USB、micro-USB、mini-USB分别选择合适的接线

  情况3：PC机USB口与集成了TTL转RS-232芯片的单片机通信

  方法：外购USB转RS-232模块，如下图所示。该模块核心是在DB9的一端有一块CH340或CH341电平转换芯片，把RS-232电平转换为USB电平

  情况4：PC机DB9接口与不带电平转换芯片的单片机通信

  方法：外购RS232转TTL模块，如下图所示。该模块一端是DB9与PC机DB9连接，一端是RXD、TXD、VCC、GND与单片机相应引脚连接。其核心是一块max232电平转换芯片。

  情况5：PC机DB9接口与成了USB转TTL芯片的单片机通信

  方法：一般不会这么进行通信PC机上DB9接口都有了还会没有USB接口？如果非要进行，外购RS-232转USB模块，如上面提到过的

  情况6：PC机DB9接口与成了RS-232转TTL芯片的单片机通信

  方法：直接用DB9（串口线）连接即可！

  用一张图总结一下以上几种情况：

  最后，别忘了PC端还要安装相应的驱动程序哦！

07

USB接口芯片的使用注意事项

供电电压：确保为USB接口芯片提供正确的供电电压，通常为5V或3.3V。

信号完整性：在PCB设计中注意USB信号线的布局和走线，避免信号干扰和衰减。

驱动安装：确保在使用前已安装正确的驱动程序，以避免设备无法识别或功能异常。

热插拔：虽然USB接口支持热插拔，但在插拔过程中应避免暴力操作，以免损坏接口或芯片。

静电防护：在连接或断开USB设备时，注意静电防护，避免静电对芯片造成损害。

08

USB接口芯片的厂商

  USB接口芯片的厂商众多，包括但不限于英特尔（Intel）、德州仪器（TI）、微芯科技（Microchip）、恩智浦（NXP）、威盛电子（VIA）等。此外，还有一些专注于USB接口芯片研发的国内厂商，如南京沁恒微电子股份有限公司等。这些厂商提供了多种类型、不同规格和性能的USB接口芯片供用户选择。

供应商A:沁恒微电子

1、产品能力

（1）选型手册

PRODUCT_GUIDE.PDF

（2）主推型号1:CH340N

对应的产品详情介绍

沁恒微电子的CH340N是一款USB转串口芯片，它在多个领域都有广泛的应用。以下是对CH340N的详细介绍：

一、基本信息

  品牌：WCH/沁恒

  型号：CH340N

  封装形式：SOP-8，这种封装形式使得芯片尺寸小，便于在PCB上布局。

  内部特性：内置晶振，无需外部晶振电路，简化了外围电路设计。

二、电气参数

  电源电压：根据参考文章，CH340N支持3.3V和5V电源电压。但请注意，不同来源的信息可能有所差异。例如，有信息指出其最小电源电压为3V，最大电源电压为8V（可能是指在不同应用或测试条件下的极限值），但在实际应用中，常见的供电电压为3.3V或5V。

  工作温度：支持较宽的工作温度范围，最小工作温度为-50°C，最大工作温度可达100°C或更高（具体取决于不同来源的信息）。

三、应用特点

  外围电路简单：CH340N的应用电路相对简单，没有冗余的复杂设计，使得用户使用起来更加便捷。

  成本低：作为国产芯片，CH340N的成本相对较低，符合当前的经济贸易趋势。

  易于集成：由于其小巧的封装形式和内置晶振的特性，CH340N易于集成到各种电子设备中。

  广泛应用：CH340N可广泛应用于便携式低功耗产品、消费类电子产品、智能电表、商业机器人激光雷达等领域，实现USB与串口之间的转换。

四、使用注意事项

  供电电压：确保为CH340N提供正确的供电电压，避免电压过高或过低导致芯片损坏。

  信号完整性：在PCB设计中注意USB信号线的布局和走线，避免信号干扰和衰减。

  驱动安装：在使用前，确保已在上位机（如PC）上安装了CH340N的驱动程序，以便正确识别和使用设备。

  静电防护：在连接或断开USB设备时，注意静电防护，避免静电对芯片造成损害。

五、应用场景

  便携式低功耗产品：如智能手表、蓝牙耳机等，CH340N可用于实现USB充电和调试功能。

  消费类电子产品：如打印机、扫描仪等，CH340N可用于将设备的串口信息通过USB传输到上位机进行显示或处理。

  智能电表：在智能电表中，CH340N可用于实现USB接口与电表内部电路之间的通信，以便将用电信息传输到云端服务器。

  商业机器人激光雷达：在商用机器人雷达中，CH340N可用于提供稳定、高速的数据传输解决方案。

六、厂商信息

南京沁恒微电子股份有限公司是一家专注于连接技术和微处理器内核研究的集成电路设计企业。该公司基于自研专业接口IP、微处理器内核IP构建芯片，致力于为客户提供万物互联、上下互通的芯片及解决方案。其主要产品包括USB/蓝牙/以太网接口芯片和连接型/互联型/无线型MCU等。

综上所述，沁恒微电子的CH340N是一款功能强大、易于使用且成本较低的USB转串口芯片，在多个领域都有广泛的应用前景。

硬件参考设计

研发设计注意使用事项

上图是统一供电方式下MCU单片机通过TTL串口连接CH340芯片实现USB通讯的参考电路。该产品选择自供电方式，VCC支持5V或者3.3V（VCC为3.3V时V3需短接到VCC），完全不使用USB总线电源VBUS（如有需要MCU可以通过I/O串电阻后检测其是否有效）。CH340与MCU使用同一电源VCC，所以CH340与MCU之间不存在双电源通过I/O相互电流倒灌的情形。CH340没有使用到的信号线都可以悬空。对于CH340C/N/K/E/X/B芯片，无需X6和C17及C18

核心料（哪些项目在用）

NB定位器traker,eSIM读卡表控制板项目

（1）技术产品

技术资料

CH340DS1.PDF

本文章源自奇迹物联开源的物联网应用知识库Cellular IoT Wiki，更多技术干货欢迎关注收藏Wiki：Cellular IoT Wiki 知识库（https://rckrv97mzx.feishu.cn/wiki/wikcnBvAC9WOkEYG5CLqGwm6PHf）

欢迎同学们走进AmazIOT知识库的世界！

这里是为物联网人构建的技术应用百科，以便帮助你更快更简单的开发物联网产品。

Cellular IoT Wiki初心：

在我们长期投身于蜂窝物联网 ODM/OEM 解决方案的实践过程中，一直被物联网技术碎片化与产业资源碎片化的问题所困扰。从产品定义、芯片选型，到软硬件研发和测试，物联网技术的碎片化以及产业资源的碎片化，始终对团队的产品开发交付质量和效率形成制约。为了减少因物联网碎片化而带来的重复开发工作，我们着手对物联网开发中高频应用的技术知识进行沉淀管理，并基于 Bloom OS 搭建了不同平台的 RTOS 应用生态。后来我们发现，很多物联网产品开发团队都面临着相似的困扰，于是，我们决定向全体物联网行业开发者开放奇迹物联内部沉淀的应用技术知识库 Wiki，期望能为更多物联网产品开发者减轻一些重复造轮子的负担。

Cellular IoT Wiki沉淀的技术内容方向如下：

奇迹物联的业务服务范围：基于自研的NB-IoT、Cat1、Cat4等物联网模组，为客户物联网ODM/OEM解决方案服务。我们的研发技术中心在石家庄，PCBA生产基地分布在深圳、石家庄、北京三个工厂，满足不同区域&不同量产规模&不同产品开发阶段的生产制造任务。跟传统PCBA工厂最大的区别是我们只服务物联网行业客户。

连接我们，和10000+物联网开发者一起 降低技术和成本门槛

让蜂窝物联网应用更简单~~

哈哈你终于滑到最重要的模块了，

千万不！要！划！走！忍住冲动！~

欢迎加入飞书“开源技术交流群”，随时找到我们哦~

点击链接如何加入奇迹物联技术话题群（https://rckrv97mzx.feishu.cn/docx/Xskpd1cFQo7hu9x5EuicbsjTnTf）可以获取加入技术话题群攻略

Hey 物联网从业者，

你是否有了解过奇迹物联的官方公众号“eSIM物联工场”呢？

这里是奇迹物联的物联网应用技术开源wiki主阵地，欢迎关注公众号，不迷路～

及时获得最新物联网应用技术沉淀发布

（如有侵权，联系删除）

审核编辑 黄宇