用CP2101將USB口擴展成串口

摘要：CP2101及其升級產品CP2102最美國Silicon公司生產的高集成度USB-UART橋接電路。它們能夠用最簡單的外部電路、最少的外部器件及最小的電路板面積簡便實現USB2.0到UART的轉換。文中介紹該電路的主要特性和實際應用方法。

關鍵詞：CP2101 UART USB

引言

CP2101及其升級產品CP2102是美國Silicon公司推出的USB-UART橋接電路。該電路的集成度高，內置USB2.0全速功能控制器、USB收發器、晶體振蕩器、EEPROM及異步串行數據總線（UART），支持調制解調器全功能信號，無需任何外部的USB器件。功能強大，采用MLP-28封裝，尺寸僅為5mm5mm，占用空間非常小。

與其他USB-UART轉接電路的工作原理類似，CP2101通過驅動程序將PC的USB口虛擬成COM口以達到擴展的目的。虛擬COM口（VCP）的器件驅動程序允許一個基于CP2101的器件以PC應用軟件的形式作為一個增加的COM口獨立于任何現有的硬件。COM口使用運行在PC上的應用軟件以訪問一個標準硬件COM口的方式訪問基于CP2101的器件，PC與CP2101間的數據傳輸是通過USB完成的，因此，無需修改現有的軟件和硬件就可以通過USB向基于CP2101的器件傳輸數據。

1 CP2101的特性

CP2101的體積雖小但功能非常強大，其主要特性如下：

內含USB收發器，無需外接電路器；

內含時鐘電路，無需外接振蕩器；

其內部512字節的EEPROM可用于存儲產品生產商的ID、產品的ID序列號、電源參數、器件版本號和產品說明；

內含上電復位電路；

片內電壓調節可輸出3.3V電壓；

符合USB2.0規范的要求（12Mb/s）；

SUSPEND引腳支持USB狀態掛起；

異步串行數據總線（UART）兼容所有握手和調制解調器接口信號；

支持的數據格式為數據位8、停止位1、2和校驗位（包括奇校驗、偶校驗和無校驗）；

波特率范圍為300b/s～921.6kb/s；

內含512字節接收緩沖器和512字節發送緩沖器；

支持硬件或X-On/X-Off握手；

支持事件狀態。

圖1

此外，通過廠商及銷售商免費提供的、適用于Windows(含Windows CE)、Linux、Mac OS-X等多個操作系統的驅動程序，可省去CP2101系列器件二次開發的投入。這樣，在一般情況下，焊接完畢并安裝好驅動程序即可使用。

2 工作原理

CP2101的內部結構及外部基本連接電路如圖1所示。由圖1可見，用CP2101進行串口擴展所需的外部器件非常少，僅需3只去耦電容器即可，使用起來非常方便。

2．1 USB功能控制器和收發器

CP2101中的USB功能控制器是一個符合USB2.0的全速電路，帶有收發器和相應的片內上拉電阻器。USB功能控制器管理USB與UART間的所有數據傳輸，以及由USB主控制器發出的請求命令和用于控制UART功能的命令。通過USB掛起和恢復信號可支持CP2101及外部電路的電源管理。當在總線上檢測到掛起信號時，CP2101將進入掛起模式。在進入掛起模式時，CP2101會發出SUSPEND和SUSPEND信號，同時，在CP2101復位后，CP2101也會發出該信號直到USB要求的器件配置完成。CP2101的掛起模式會在下述任何一種情況出現時被取消：

（1）檢測到繼續信號或產生繼續信號時；

（2）檢測到一個USB復位信號；

（3）器件復位。

在退出掛起模式時SUSPEND和SUSPEND信號被取消。

需要注意的是SUSPEND和SUSPEND和CP2101復位期間會暫時處于高電平，如果要避免這種情況，可以使用一個大的下拉電阻器（10kΩ）來確保SUSPEND在復位期間處于低電平。

2．3 異步串行數據總線（UART）接口

CP2101的UART接口包括TX發送、RX接收數據信號，以及RTS、CTS、DSR、DTR、DCD和RI控制信號。UART支持RTS/CTS、DSR/DTR和X-On/X-Off握手，還可以通過編程使UART支持各種數據格式和波特率。UART的數據格式和波特率編程可在PC上進行。表1所列是CP2101串行總線的數據格式和波特率。

表1 CP2101串行總線的數據格式和波特率

這里還需注意的是，CP2101異步串行數據總線的數據位和停止位是固定的，也就是說，在實際使用中可以通過軟件改變校驗位和波特率，但是，改變數據位和停止位會在通訊中出現異常現象。

2．3 內部EEPROM

CP2101內部集成了一個EEPROM，可用于存儲由設備原始制造商定義的USB供應商的ID、產品的ID說明、電源參數、器件版本號和器件序列號等信號。USB配置數據的定義是可選的。如果EEPROM沒有被OEM的數據占用,則采用默認方式配置數據。注意，盡管如此，對于可能使用多個基于CP2101的器件連接到同一個PC的OEM應用來說，它們需要一個專一的序列號。

內部EEPROM可通過USB進行編程，以便OEM的USB配置數據和序列號可以在制造和測試時直接寫入到系統上的CP2101中。Silicon公司提供一種專門為CP2101內部EEPROM進行編程的工具，同時還提供一個Windows DLL格式的程序庫。該程序庫可在制造過程中將EEPROM編程步驟集成到OEM中，以便用自定義軟件進行流水線式測試和序列號的管理。EEPROM的寫壽命典型值為100,000次，數據保持時間為100年。

3 應用實例

CP2101的實際應用參考電路如圖2所示。該電路經過制板和調試，證明是完全可行的。

圖2

（1）以上電路支持全功能串行通信應用。為了確保數據收發的穩定性，避免通信過程中的干擾，還可以在USB接口端添加濾波電路。

（2）電路中采用的多通道RS-232收發器是Maxim公司的MAX241系列或MAX223等系列電路（詳情請參看MAXIM公司RS-232收發器數據手冊），該系列支持在掛起狀態（當CP2101進入掛起狀態時，SUSPEND引腳變為高電平，從而使RS-232收發器亦進入掛起狀態），保持接收外界數據有效。在 在使用電路時，需要注意EN引腳及SHDN引腳的正確連接。

在很多簡單的串行通信中，僅使用TXD/RXD二個引腳的信號，在這種情況下可以使用通道數更少，封超更小的RS-232收發器。

（3）CP2101的底部有大片金屬，在芯片內部接地。因此在制板時一定要保證沒有非接地通孔在CP2101的中間通過，或者保證通孔不與其發生短路。為了保證電路工作的可靠性，建議不要在CP2101焊接面板層的中間部分進行布線。

（4）CP2101的UART總線上的信號能夠被單片機等直接識別，因此應根據具體應用要求決定是否需要進行電平轉換。

4 結束語

CP2101是一款功能強大的USB-UART橋接電路，5mm5mm的外型使其占用空間非常小，用它將USB口擴展成串口非常簡單易行。同時由于其內部存儲產品的ID等信息的寄存器可以直接通過USB口改寫，因此用其開發相關產品還有省時省力的優點。唯一遺憾的是，由于UART本身的限制，其最大波行率只能達到921600b/s，不能發揮USB2.0并沒有多大的意義。目前，CP2101的升級產品CP2102已經面市。