硬件電路設計之USB轉串口電路設計

1 簡介

今天我們重點要講述的是USB轉串口功能，單板設計過程中，往往需要留至少一個調試接口，比較常見的是串口、網口、USB等。其中，串口作為調試接口時，需要將其轉換為USB接口后，再連接到電腦上。CH340是一個USB總線的轉接芯片，實現USB轉串口或者USB轉打印口。

2 特點

• 全速USB設備接口，兼容USB V2.0。
• 仿真標準串口，用于升級原串口外圍設備，或者通過USB增加額外串口。
• 計算機端Windows操作系統下的串口應用程序完全兼容，無需修改。
• 硬件全雙工串口，內置收發緩沖區，支持通訊波特率50bps～2Mbps。
• 支持常用的MODEM聯絡信號RTS、DTR、DCD、RI、DSR、CTS。
• 通過外加電平轉換器件，提供RS232、RS485、RS422等接口。
• CH340R芯片支持IrDA規范SIR紅外線通訊，支持波特率2400bps到115200bps。
• 內置固件，軟件兼容CH341，可以直接使用CH341的VCP驅動程序。
• 支持5V電源電壓和3.3V電源電壓。
• CH340C/N/K/E/X/B內置時鐘，無需外部晶振，CH340B還內置EEPROM用于配置序列號等。
• 提供SOP16、SOP8和SSOP20以及ESSOP10、MSOP10無鉛封裝，兼容RoHS。

3 封裝

注意：

• CH340C、CH340N、CH340K、CH340E、CH340X、CH340B內置時鐘，無需外部晶振。
• CH340B內置EEPROM用于配置序列號，以及部分功能可定制等。如需小體積建議用CH343P。
• CH340K內置三個二極管用于防止獨立供電時MCU通過I/O引腳對CH340電流倒灌。
• CH340K的底板是0#引腳GND，是可選連接；3#引腳GND是必要連接。
• CH340X基于CH340E改進，增加了3.3V供電時的IO耐受5V特性。
• CH340X的6#引腳如果外加電阻可以將6#引腳從TNOW切換為DTR#。
• CH340C如果批號4開頭且末3位大于B40，則可為8#引腳加4.7KΩ下拉電阻將其改為DTR#。
• CH340R提供反極性TXD和MODEM信號，已停產。
• CH340的USB收發器按USB2.0全內置設計，UD+和UD-引腳建議不要額外串接電阻。

4 硬件電路設計實戰

CH340 芯片支持 5V 電源電壓或者 3.3V 電源電壓。

• 當使用5V工作電壓時，CH340芯片的VCC引腳 輸入外部5V電源，并且 V3 引腳應該外接容量為 0.1uF的電源退耦電容 。
• 當使用3.3V工作電壓時，CH340芯片的V3引腳應該與VCC引腳相連接，同時輸入外部的 3.3V 電源，并且與CH340芯片相連接 的其它電路的工作電壓不能超過3.3V。

CH340芯片 支持USB設備自動掛起以節約功耗 ， NOS#引腳為低電平時將禁止USB 設備掛起。 CH340芯片的DTR#引腳在USB配置完成之前作為配置輸入引腳，可以外接4.7KΩ的下拉電阻，USB在枚舉期間產生默認的低電平，通過配置描述符向 USB 總線申請更大的電源電流。異步串口方式下CH340芯片的引腳包括： 數據傳輸引腳 、 MODEM聯絡信號引腳 、 輔助引腳 。數據傳輸引腳包括：TXD引腳和 RXD 引腳 。串口輸入空閑時RXD應為高電平。對于CH340G/C/T/R 芯片，如果 R232 引腳為高電平啟用輔助RS232功能，那么RXD引腳內部自動插入一個反相器，默認為低電平。串口輸出空閑時，CH340G/C/N/E/B/T 芯片的TXD為高電平，CH340K芯片的TXD為微弱的高電平，CH340R芯片的TXD為低電平。

5 相關硬件

• USB轉RS232串口電路

圖中USB轉RS232電路最常用的3線制RS232串口，U5為MAX232/ICL232/SP232 等。CH340沒有使用到的信號線都可以懸空。對于CH340C/N/K/E/B芯片，無需X4和C21及C22。

• USB轉RS232串口電路（簡化版）

圖中也是USB轉3線制RS232串口，該電路與上一節的功能相同，只是輸出RS232信號的電平幅度略低。CH340的R232引腳為高電平，啟用了輔助RS232功能，只需外加二極管、三極管、電阻 和電容就可代替上一節中專用的電平轉換電路U5，所以硬件成本更低。

• 連接單片機串口，統一供電

下圖是統一供電方式下MCU單片機通過TTL串口連接CH340芯片實現USB通訊的參考電路。該產品選擇自供電方式，VCC支持5V或者3.3V（VCC為3.3V時，V3需短接到VCC），完全不使用USB總線電源VBUS（如有需要MCU可以通過I/O串電阻后檢測其是否有效）。CH340與MCU使用同一電源VCC，所以CH340與MCU之間不存在雙電源通過I/O相互電流倒灌的情形。

• 連接單片機串口，各自供電

上圖是雙供電方式下MCU單片機通過TTL串口連接CH340芯片實現USB通訊的參考電路。CH340由USB總線供電VBUS，MCU使用另一電源VDD，VDD支持5V、3.3V 甚至 2.5V、1.8V，圖中二極管D6和D7用于緩解雙電源方式下CH340與MCU之間通過 RXD或RX內部二極管產生電流倒灌的問題。圖中MCU的RX引腳應該啟用內部上拉電阻，如沒有，則建議對RX引腳外加 8KΩ～30KΩ的上拉電阻。二極管D6針對CH340無電但MCU有電且TX高電平通過RXD內部二極管向CH340倒灌電流的情形；

二極管優先用小功率的Schottky肖特基二極管。一般情況下，不建議CH340與 MCU 分開各自供電。如果確有必要，那么推薦使用CH340K或者有VIO電源引腳支持I/O獨立供電的USB轉串口芯片。