TUSB3410 USB 轉(zhuǎn)串口控制器：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn) USB 接口與串口設(shè)備之間的通信是一個(gè)常見需求。TI 的 TUSB3410 作為一款 USB 轉(zhuǎn)串口控制器，為解決這一問題提供了有效的方案。本文將詳細(xì)介紹 TUSB3410 的特性、應(yīng)用場(chǎng)景以及設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵要點(diǎn)。

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一、TUSB3410 概述

1.1 功能特性

TUSB3410 提供了 USB 端口與增強(qiáng)型 UART 串口之間的橋接功能。它集成了 8052 微控制器單元（MCU），擁有 16KB 可從主機(jī)或外部板載內(nèi)存通過 I2C 加載的 RAM，以及 10KB 允許 MCU 在啟動(dòng)時(shí)配置 USB 端口的 ROM，且 ROM 代碼包含 I2C 引導(dǎo)加載程序。該設(shè)備具備以下顯著特性：

• 增強(qiáng) UART 功能：支持軟件和硬件流控制、自動(dòng) RS - 485 總線收發(fā)器控制（有無回顯可選），還具備可選的 IrDA 模式，最高傳輸速率可達(dá) 115.2 kbps。
• USB 兼容性：完全符合 USB 2.0 全速規(guī)范，支持 12 Mbps 的 USB 數(shù)據(jù)速率，支持 USB 掛起、恢復(fù)和遠(yuǎn)程喚醒操作，可配置為總線供電和自供電模式，總共支持三個(gè)輸入和三個(gè)輸出（中斷、批量）端點(diǎn)。
• 可配置串口特性：軟件可選波特率范圍從 50 BPS 到 921.6 kbps，可編程設(shè)置串口接口特性，如 5 - 8 位字符長(zhǎng)度、奇偶校驗(yàn)位生成與檢測(cè)、1 - 2 個(gè)停止位生成以及線路中斷生成與檢測(cè)。
• 內(nèi)部資源豐富：集成 8052 微控制器，擁有 256 × 8 RAM 用于內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、10K × 8 ROM（帶 USB 和 I2C 引導(dǎo)加載程序）、16K × 8 RAM 用于代碼空間加載，還具備內(nèi)部測(cè)試和回環(huán)功能、調(diào)制解調(diào)器控制功能（CTS、RTS、DSR、RI 和 DCD），以及 2K × 8 共享 RAM 用于數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和端點(diǎn)描述符塊（EDB）。

1.2 應(yīng)用場(chǎng)景

TUSB3410 可廣泛應(yīng)用于多種場(chǎng)景，如調(diào)制解調(diào)器外設(shè)（打印機(jī)、手持設(shè)備等）、醫(yī)療儀表以及 DSP 和 μC 接口等。它能夠幫助構(gòu)建傳統(tǒng)串口外設(shè)與具有 USB 端口的 PC 之間的接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸。

二、詳細(xì)技術(shù)分析

2.1 功能模式

2.1.1 USB 接口配置

TUSB3410 板載 ROM 微代碼使 MCU 能夠?qū)⒃O(shè)備枚舉為 USB 外設(shè)。ROM 微代碼還能通過 I2C 總線從外部?jī)?nèi)存或通過 USB 從主機(jī)將應(yīng)用代碼加載到內(nèi)部 RAM 中。根據(jù)不同情況，設(shè)備有外部?jī)?nèi)存加載和主機(jī)下載兩種模式。

• 外部?jī)?nèi)存加載：復(fù)位后，設(shè)備斷開與 USB 的連接，檢查 I2C 端口是否存在有效代碼。若存在，則將代碼從外部?jī)?nèi)存設(shè)備上傳到 RAM 程序空間，然后連接到 USB 進(jìn)行枚舉和配置。
• 主機(jī)下載：若 I2C 端口未找到有效代碼，設(shè)備連接到 USB 進(jìn)行枚舉和默認(rèn)配置。主機(jī)可將額外的微代碼下載到 RAM 中，通過清除和設(shè)置 CONT 位使設(shè)備以新配置重新枚舉。

2.1.2 USB 數(shù)據(jù)移動(dòng)

從 USB 角度看，TUSB3410 表現(xiàn)為 USB 外設(shè)設(shè)備，使用端點(diǎn)零作為控制端點(diǎn)，可配置多達(dá)三個(gè)輸入和三個(gè)輸出端點(diǎn)。大多數(shù)數(shù)據(jù)通過片上 DMA 傳輸在 USB 端和 UART 端之間移動(dòng)，特殊情況可能使用 MCU 控制的編程 I/O。

2.1.3 串口設(shè)置

串口操作需要寫入一些控制寄存器進(jìn)行配置，如控制串口字格式的線路控制寄存器和控制波特率的除數(shù)寄存器。這些寄存器通常由主機(jī)應(yīng)用程序控制。

2.1.4 串口數(shù)據(jù)模式

串口可配置為三種不同的數(shù)據(jù)模式：

• RS - 232 數(shù)據(jù)模式：默認(rèn)模式，用于全雙工通信。調(diào)制解調(diào)器控制輸出（RTS 和 DTR）可與調(diào)制解調(diào)器通信或作為通用輸出，調(diào)制解調(diào)器控制輸入（CTS、DSR、DCD 和 RI/CP）可與調(diào)制解調(diào)器通信或作為通用輸入。還支持軟件流控制。
• RS - 485 數(shù)據(jù)模式：與 RS - 232 模式類似，但由于 RS - 485 是總線架構(gòu)，為半雙工通信系統(tǒng)。TUSB3410 在該模式下控制 RTS 和 DTR 信號(hào)，可啟用 RS485 驅(qū)動(dòng)器或接收器。軟件流控制雖支持但價(jià)值有限。
• IrDA 數(shù)據(jù)模式：按 IrDA 標(biāo)準(zhǔn)對(duì) SOUT 進(jìn)行編碼，對(duì) SIN 進(jìn)行解碼，最高速率可達(dá) 115.2 kbps，通常用于全雙工通信，一般僅連接 SOUT 和 SIN 路徑，支持軟件流控制。

2.2 處理器子系統(tǒng)

2.2.1 DMA 控制器

DMA 控制器在數(shù)據(jù)傳輸中起著關(guān)鍵作用，支持批量數(shù)據(jù) I/O。以 IN 事務(wù)（TUSB3410 到主機(jī)）為例，MCU 初始化 IEDB 和相關(guān) DMA 寄存器后，DMA 開始將數(shù)據(jù)從 UART 傳輸?shù)?X 緩沖區(qū)。當(dāng)一個(gè) 64 字節(jié)的塊傳輸完成后，DMA 更新字節(jié)計(jì)數(shù)并通知 UBM，然后繼續(xù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?Y 緩沖區(qū)，交替進(jìn)行，直到滿足傳輸終止條件。

2.2.2 UART

UART 接收器具有 32 字節(jié)的 FIFO，有高、低兩個(gè)觸發(fā)級(jí)別。當(dāng)達(dá)到高觸發(fā)級(jí)別時(shí)，RTS 端子變高或發(fā)送 Xoff；當(dāng)達(dá)到低觸發(fā)級(jí)別時(shí)，RTS 端子變低或發(fā)送 Xon。此外，UART 還支持自動(dòng) RTS（接收器控制）、自動(dòng) CTS（發(fā)送器控制）以及 Xon/Xoff 接收器和發(fā)送器流控制。

2.2.3 I2C 端口

I2C 端口支持隨機(jī)讀取、當(dāng)前地址讀取、順序讀取、字節(jié)寫入和頁面寫入等操作。每個(gè)操作都有特定的步驟和寄存器配置，以確保數(shù)據(jù)的正確傳輸和設(shè)備的正常工作。

2.3 內(nèi)存管理

TUSB3410 的內(nèi)存管理包括 MCU 內(nèi)存映射、寄存器配置、緩沖區(qū)和 I/O RAM 映射以及端點(diǎn)描述符塊（EDB）。不同的內(nèi)存區(qū)域和寄存器在設(shè)備的啟動(dòng)、運(yùn)行和數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)揮著不同的作用。例如，ROM 影子配置寄存器（ROMS）用于切換設(shè)備的啟動(dòng)模式和正常操作模式，不同的位設(shè)置決定了代碼空間的映射和操作權(quán)限。

三、設(shè)計(jì)與布局要點(diǎn)

3.1 典型應(yīng)用設(shè)計(jì)

在將 TUSB3410 用作 USB 到 UART 橋接器時(shí)，需要滿足一些基本設(shè)計(jì)要求。例如，VCC 電源為 3.3V，VDD1/8 為 1.8V，上游端口支持 USB 2.0 的高速和全速模式，需要使用 RS - 232 收發(fā)器，并且需要一個(gè) 12 MHz 的晶體作為時(shí)鐘源。

• 上游端口實(shí)現(xiàn)：將 USB - 2.0 連接器的 VBUS 連接到 3.3V 電壓調(diào)節(jié)器，生成 VCC 所需的 3.3V 電源，再通過電壓分壓器生成 1.8V 的 VDD。
• 晶體實(shí)現(xiàn)：推薦使用并聯(lián)諧振晶體，通過在晶體兩端連接 33 - pF 電容器到地，結(jié)合設(shè)備的輸入電容和電路板雜散電容，實(shí)現(xiàn)接近 18 - pF 的負(fù)載要求。
• RS - 232 實(shí)現(xiàn)：所有串行數(shù)據(jù)線和控制信號(hào)都需要通過 RS - 232 驅(qū)動(dòng)器，如 SN75LV4737A，然后連接到 DB9 連接器。
• 電源實(shí)現(xiàn)：VCC 和 VDD18 電源需要連接 0.1 - μF 的旁路電容器到地，以確保設(shè)備的正常運(yùn)行。同時(shí)，建議在數(shù)字電源端子上添加 0.01 - μF 的較小值電容器。

3.2 布局準(zhǔn)則

在 PCB 設(shè)計(jì)過程中，需要特別關(guān)注高速信號(hào)的布局，以確保信號(hào)質(zhì)量和減少電磁干擾（EMI）問題。關(guān)鍵信號(hào)如 USB 2.0 差分對(duì)（DP 和 DM）、超高速差分對(duì)（SSTXP、SSTXN、SSRXP 和 SSRXN）需要遵循特定的路由和放置準(zhǔn)則。例如，高速 USB 信號(hào)應(yīng)盡量減少走線長(zhǎng)度、使用最少的過孔和拐角、避免在晶體、振蕩器等附近布線，并且要保持差分信號(hào)的間距和與參考平面的距離。

四、總結(jié)

TUSB3410 作為一款功能強(qiáng)大的 USB 轉(zhuǎn)串口控制器，為電子工程師提供了豐富的特性和靈活的配置選項(xiàng)。在設(shè)計(jì)過程中，理解其功能模式、處理器子系統(tǒng)、內(nèi)存管理以及設(shè)計(jì)與布局要點(diǎn)是確保設(shè)備正常運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)高性能的關(guān)鍵。希望本文能夠?yàn)?a target="_blank">工程師們?cè)谑褂?TUSB3410 進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供有價(jià)值的參考。

你在使用 TUSB3410 過程中遇到過哪些問題？或者對(duì)其應(yīng)用有什么獨(dú)特的見解？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。