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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK USB-Schnittstellenkonverter basierend auf den Chips FT8U232AM, FT8U245AM. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Computer Jetzt werden Sie niemanden mit der Möglichkeit überraschen, USB-Geräte an einen Computer anzuschließen. Im Vergleich zu herkömmlichen Computer-E/A-Anschlüssen (seriell – COM, parallel – LPT) bietet der universelle serielle Bus (Universal Serial Bus) eine höhere Datenaustauschrate. Der maximale Durchsatz der USB-Version 1.1 beträgt 12 Mbit/s, die neuere Version 2.0 liegt bei 480 Mbit/s. Für Geräte mit niedriger Geschwindigkeit wird eine Geschwindigkeit von 1,5 Mbit/s bereitgestellt. Allerdings ist das USB-Datenaustauschprotokoll kompliziert und bis vor Kurzem nicht nur für Funkamateure, sondern auch für viele Spezialisten nicht umsetzbar. Durch den Einbau des FT8U232AM- oder FT8U245AM-Chips in das zu entwickelnde Gerät können Sie heute USB in einen „virtuellen“ seriellen oder parallelen Port umwandeln und mit bekannten Methoden einen Hochgeschwindigkeits-Datenaustausch durchführen, ohne viele Funktionen von USB zu berücksichtigen Betrieb. Das Anschließen Ihres Computers an Peripheriegeräte über USB ist sehr einfach. Das An- und Abdocken von Anschlüssen ist ohne Ausschalten des Computers möglich, die automatische Geräteerkennung erfolgt unmittelbar nach dem Anschließen und die anschließende Installation der erforderlichen Treiber. Die verzweigte Bustopologie (Abb. 1) beinhaltet den Einsatz von Hubs, oft auch „Hubs“ (engl. Hub) genannt.
Die Systemeinheit des Computers verfügt über einen Root-Hub (Root-Hub), ausgestattet mit zwei oder vier USB-Buchsen, an die Peripheriegeräte direkt oder über Hubs angeschlossen werden. Manchmal sind USB-Geräte selbst (meistens ein Monitor und eine Tastatur) mit integrierten Hubs ausgestattet, in anderen Fällen werden Hubs, die als unabhängige Produkte konzipiert sind, zur Verzweigung des Busses verwendet. Ein Beispiel für den Anschluss eines herkömmlichen Satzes peripherer USB-Geräte an einen Computer ist in Abb. dargestellt. 2. Ihre Gesamtzahl kann 127 erreichen – mehr als genug für alle denkbaren Anwendungen. Bis vor kurzem konnte der „Host“ (Host) dieses Netzwerks (im Gegensatz zum üblichen lokalen) nur einer sein – der Computer selbst. Eine Ende 2001 unter dem Namen OTG 1.0 veröffentlichte Erweiterung des USB 2.0-Standards ermöglichte jedoch die Ausführung einiger Host-Funktionen durch Peripheriegeräte. Dies ermöglicht beispielsweise den direkten Anschluss eines USB-Scanners an einen USB-Drucker und umgeht den Computer.
Jedem angeschlossenen USB-Gerät wird vom Betriebssystem des Computers eine eindeutige Identifikationsnummer zugewiesen, die für die Systemkonfiguration, -verwaltung und -kommunikation erforderlich ist. Kommunikationssitzungen finden im Batch-Modus statt. Alle Komponenten des USB-Netzwerks werden über Kabel verbunden, die aus zwei verdrillten Adernpaaren bestehen. Auf der einen Seite findet ein bidirektionaler Datenaustausch statt, auf der anderen Seite eine konstante Spannung von 5 V, weshalb kostengünstige Peripheriegeräte möglicherweise keine eigenen Netzteile enthalten. USB-Kabel verfügen über zwei inkompatible Anschlusstypen: A auf der dem Computer zugewandten Seite und B auf der dem Peripheriegerät zugewandten Seite. Dies verhindert eine fehlerhafte Verbindung. Gemäß der oben erwähnten Ergänzung zu OTG 1.0 wurden zwei weitere Arten von Steckverbindern mit reduzierten Abmessungen eingeführt: Mini-A und Mini-B sowie eine Mini-AB-Universalbuchse, die mit beiden Steckertypen kompatibel ist. Alle USB-Anschlüsse sind so konzipiert, dass sie schnell und einfach wiederholt ein- und ausgesteckt werden können. Der Anwendungsbereich von USB ist nicht auf Multimedia-Anwendungen beschränkt. Diese Hochgeschwindigkeitsschnittstelle, die für die Bedienung einer großen Anzahl von Geräten ausgelegt ist, eignet sich für Kommunikationsgeräte sowie für die Erfassung und Speicherung von Informationen, die traditionell an die COM- und LPT-Anschlüsse von Computern angeschlossen werden. Leider ist der Austausch einer Schnittstelle in einem bestehenden Gerät recht schwierig. Eine Möglichkeit, das Problem zu lösen, besteht darin, Konverter verschiedener Schnittstellen zu USB zu verwenden. Ähnliche Geräte auf Basis von Chips des englischen Unternehmens FTDI (Future Technology Devices International) erscheinen bereits auf dem russischen Markt. Das Unternehmen produziert derzeit drei Multifunktionschips: FT8U100AX, FT8U232AM und FT8U245AM. Mit der ersten Möglichkeit können Sie einen USB-Hub mit sieben Anschlüssen erstellen. Die anderen beiden (ihr Aussehen und ihre Pinbelegung sind in Abb. 3 dargestellt) dienen der Anbindung verschiedener Geräte an den USB-Bus. Die Abmessungen des QFP-32-Gehäuses betragen 7x7 mm, der Pinabstand beträgt 0,8 mm.
FT8U232AM – Konverter von USB zu herkömmlicher serieller Schnittstelle – kann in USB-Modems, COM-USB-Adapter, Barcode-Scanner und Messgeräte installiert werden – und zwar in allen Geräten, die zuvor relativ langsame RS-232-, RS-422- und RS-485-Schnittstellen verwendeten . Es ist in der Lage, Daten in beide Richtungen mit Geschwindigkeiten von bis zu 2000 kbit/s zu übertragen, und der Benutzer benötigt keine Kenntnisse über das Gerät und die Funktionsweise von USB. Die von FTDI bereitgestellten Softwaretreiber erwecken den Eindruck, dass die Kommunikation über einen regulären COM-Port erfolgt. Das Funktionsdiagramm von FT8U232AM ist in Abb. dargestellt. 4. Seine Basis sind die Transceiver beider Schnittstellen. Der UART-Block ist mit einem vollständigen Satz von Signalkreisen des RS-232-Standards, dem USB-Transceiver, ausgestattet – mit nur zwei Informationsausgängen USBDP und USBDM, die einen bidirektionalen Datenübertragungskanal bilden. Der SIE-Block wandelt seriellen Code in parallelen Code um und umgekehrt, führt Bitstaffing-Prozeduren durch, generiert (für ausgehenden Datenstrom) und prüft (für eingehende) Steuercodes.
Der Low-Level-USB-Protokollhandler generiert Antworten auf Anfragen vom Host-Controller (Computer). Dadurch steuern sie den Betriebsmodus des UART. Es gibt zwei Datenzwischenspeicher (FIFO) mit einer Kapazität von 384 Byte (für Empfang) und 128 Byte (für Übertragung). Der FIFO wird vom entsprechenden Controller verwaltet. Der Hauptoszillator der Mikroschaltung wird von einem externen Quarz- oder Keramikresonator mit 6 MHz angetrieben. Außerdem wird seine Frequenz mit 8 multipliziert (bis zu 48 MHz). Der UART-Takt wird ab 48 MHz in zwei Schritten gewonnen: durch Teilung durch 16, dann mit einem programmierbaren Teiler auf den gewünschten Wert. Der UART-Controller kann mit Geschwindigkeiten von 300 Baud bis 2 MBaud arbeiten, die tatsächlich maximal erreichbare Geschwindigkeit hängt jedoch vom Pegelwandler-IC ab, der mit dem FT8U232AM verwendet wird. Die EECS-, EESK- und EEDATA-Pins des FT8U232AM-Chips dienen zum Anschluss eines externen nichtflüchtigen Speichers – des AT93C46 EEPROM-Chips, der die Herstellerkennungen (VID) und die persönliche (PID) Seriennummer des Produkts sowie andere Daten speichert. Dies ist notwendig, wenn mehrere Geräte auf Basis von FT8U232AM-Chips gleichzeitig über USB mit dem Computer verbunden sind. Die Seriennummer ist besonders wichtig, da der Softwaretreiber auf ihre Einzigartigkeit angewiesen ist und den einen oder anderen virtuellen COM-Port einem bestimmten Gerät zuordnet. Wenn kein ROM vorhanden ist, kann nur ein Gerät, das einen virtuellen COM-Port bildet, an den Computer angeschlossen werden. Ein Low-Pegel am RESET-Eingang führt zu einem Reset des FT8U232AM-Chips. An den RCCLK-Pin muss eine RC-Schaltung angeschlossen werden, die den Start der Mikroschaltung um eine Zeit verzögert, die ausreicht, um den an die XTIN- und XTOUT-Pins angeschlossenen Quarzresonator „aufbauen“ zu können. Der TEST-Eingang wird nur im Debug-Modus verwendet. Im Normalbetrieb muss es mit Masse (GND) verbunden sein. Es gibt mehrere Hilfsausgänge. Ein hoher Pegel am USBEN-Ausgang signalisiert den Abschluss des Initialisierungsprozesses der Mikroschaltung über USB. Erfolgt längere Zeit kein Datenaustausch, schaltet die Mikroschaltung automatisch in den „Sleep-Modus“, was durch den Low-Pegel am SLEEP-Ausgang erkennbar wird. Ähnliche Pegel an den TXLED- und RXLED-Ausgängen zeigen an, dass Daten gesendet bzw. empfangen werden. Das Signal vom TXDEN-Ausgang dient zur Steuerung des Transceivers der RS-485-Schnittstelle. Sein Pegel ist hoch, wenn Daten auf der TXD-Leitung übertragen werden. Die Versorgungsspannung der Mikroschaltung FT8U232AM (VCC) beträgt 4,4 ... 5,25 V, der Stromverbrauch beträgt nicht mehr als 50 mA im Betrieb und 250 μA im Ruhemodus. Wenn die Mikroschaltung mit einer über USB zugeführten Spannung betrieben wird, muss ihr Pin 14 (PWRCTL) mit Masse (GND) verbunden werden, wenn das Gerät über eine eigene Stromversorgung verfügt – mit der VCC-Schaltung. Die logischen Ausgänge der Mikroschaltung sind für Ströme bis 4 mA (Abfluss) und bis 8 mA (Zufluss) ausgelegt. Mit dem FT8U245AM-Chip können Sie den Datenaustausch zwischen einem Peripheriegerät und einem Computer mit einer Geschwindigkeit von bis zu 1 Mbit/s organisieren. Es kann in ISDN- und ADSL-Modems, in Digitalkameras und MP8-Playern sowie in Messgeräten eingesetzt werden. Im Gegensatz zum FT245U0AM enthält er keinen UART-Block, der über USB empfangene Daten aus einem Puffer (FIFO) ausgibt oder dort über einen parallelen bidirektionalen 7-Bit-Datenbus (DXNUMX – DXNUMX) empfängt. Dieser Chip lässt sich über deren DMA-Kanäle (Direct Memory Access) oder I/O-Ports bequem mit allen Mikroprozessoren und Mikrocontrollern verbinden. Zeitdiagramme zum Lesen und Schreiben eines Bytes sind in Abb. 5 dargestellt. XNUMX.
Das Vorhandensein von über USB empfangenen Daten (die Größe des Empfangspuffers beträgt 128 Byte) wird durch den niedrigen Pegel des RXF-Signals angezeigt. Daten werden gelesen, bis der Puffer leer ist und RXF hoch ist. Nachdem alle 384 Bytes des Sendepuffers gefüllt sind, bleibt das TXE-Signal hoch und die Mikroschaltung akzeptiert keine neuen Daten mehr, bis der Inhalt des Puffers über USB B an den Computer übertragen wird. Um den Austausch nicht zu verzögern, ist ein Timer von 16 ms vorgesehen. Sollte der Sendepuffer innerhalb dieses Intervalls nicht voll sein und keine neuen Daten eintreffen, wird der Inhalt des Puffers automatisch an den Computer gesendet. Der FT8U232AM-Chip hat eine ähnliche Eigenschaft. Für Hardware-Entwickler, die die Chips FT8U232AM und FT8U245AM beherrschen, bietet GIGATECHNO-LOGY Debug-Module an, von denen eines in Abb. dargestellt ist. 6.
Die Platine enthält neben der Mikroschaltung alle für den Betrieb notwendigen passiven Elemente, einen Quarzresonator und eine USB-Buchse Typ B. Das Modul ist in einem standardmäßigen 32-Pin „wide“ DIP-Panel verbaut. Die Stromversorgung des Moduls erfolgt über USB, sodass keine zusätzliche Quelle erforderlich ist. Das Diagramm des fertigen USB-RS-232-Schnittstellenkonverters ist in Abb. 7 dargestellt. 232. Damit können viele Geräte, die mit einer RS-1-Schnittstelle ausgestattet sind, über USB an einen Computer angeschlossen werden. Der Konverter wird über einen USB-Stecker vom Typ A (CN1,5) mit einem XNUMX m langen Verbindungskabel an einen Computer (oder Hub) angeschlossen. Erhöhen Sie die Länge nicht über die angegebene Länge hinaus, da es sonst zu Fehlfunktionen des USB kommt.
Der Anschluss des U3 FT8U232AM-Chips erfolgt nach dem vom Hersteller empfohlenen Standardschema. Der Knoten am Transistor Q1 erzeugt im Moment der Stromversorgung (Anschließen des Konverters an das USB-Netzwerk) einen Impuls, der den U3-Chip zurücksetzt. Die Versorgungsspannung wird den Konverterknoten über die Filter FB1 und FB2 zugeführt – gewöhnliche Drähte mit darauf angebrachten Ferritscheiben. Die R5C10-Schaltung erzeugt eine Verzögerung für den Start des Generators am Y1-Resonator, der als importierter HC49U, inländischer PK415 usw. verwendet werden kann. Wenn der Resonator zwei Anschlüsse hat und keine eingebauten Kondensatoren enthält, kann dies erforderlich sein externe Kondensatoren mit einer Kapazität von 10 ... 20pF zu installieren. Chip U1 enthält Empfänger und Sender von Schnittstellensignalen, die dem RS-232-Standard entsprechen, sowie die für ihren Betrieb notwendigen Spannungswandler von 5 V auf +10 und -10 V. Der im Diagramm dargestellte Chip SP213EHCA (Sipex) bietet eine Datenaustauschrate von bis zu 460 kBaud. Wenn 115 kBaud ausreichen, kann der angegebene Chip durch SP213ECA der gleichen Firma, MAX213CAI (Maxim) oder ADM213EARS (Analog Devices) ersetzt werden. Der Chip U1 93C46 ist, wie bereits erwähnt, nicht erforderlich. Wenn Sie sich für die Installation entscheiden, müssen Sie es zunächst anhand der Empfehlungen im Anhang zur Beschreibung des FT8U232AM-Chips programmieren. Dieses Dokument und viele andere nützliche technische Informationen und Referenzinformationen finden Sie auf der FTDI-Website. . Das Aussehen des Konverters ist in Abb. dargestellt. 8. Die Leiterplatte ist im DB-9M-Steckergehäuse untergebracht.
Es ist zu beachten, dass die entwickelte Platte, deren Lagenzeichnungen in Abb. 9, - vierschichtig.
Es ist für den beidseitigen Einbau von Elementen konzipiert, darunter Widerstände und Kondensatoren der Größe 0603 (1,6x0,8 mm) zur Oberflächenmontage (SMD). Unter Amateurbedingungen kann eine solche Platte aus zwei doppelseitigen Platten hergestellt werden, die durch eine Isolierdichtung zusammengeklebt werden. Alle für die Herstellung der Platine im Werk erforderlichen Unterlagen Wenn es nicht möglich ist, SMD-Elemente zu verwenden und eine mehrschichtige Platine herzustellen, müssen Sie eigenständig eine reguläre Platine für Standardelemente entwickeln. INSTALLIEREN VIRTUELLER COM-TREIBER Virtuelle COM-Port-Treiber (VCP – Virtual COM Port) für jedes gewünschte Betriebssystem finden Sie auf der offiziellen FTDI-Website im Themenbereich Treiber und Dienstprogramme. VCP-Treiber gibt es in zwei Versionen: für Geräte, die über einen Schnittstellenkonverter angeschlossen sind und die Technologie unterstützen (Plug and Play PnP), und für ähnliche Geräte ohne solche Unterstützung (Pop-PnP). Ein Fehler bei der Treiberauswahl führt zu einer Verzögerung beim Laden des Betriebssystems um 20...30 s. Das Verfahren zur Installation eines VCP-Treibers unter Windows unterscheidet sich nicht von der Installation eines Treibers für ein anderes Gerät. Alle Dateien aus dem Archiv, in dem der Treiber mitgeliefert wird, müssen auf eine Diskette oder in einen speziell erstellten Ordner auf der Festplatte kopiert werden. Nachdem Sie anschließend einen Schnittstellenkonverter (oder ein anderes Gerät auf Basis der Chips FT8U232AM, FT8U245AM) an USB angeschlossen haben, öffnen Sie das Fenster „Hardware hinzufügen/entfernen“ und folgen Sie den Anweisungen des „Installationsassistenten“. Um zu überprüfen, ob die Treiber erfolgreich installiert wurden, öffnen Sie die Registerkarte „Geräte-Manager“ im Fenster „Systemeigenschaften“ und suchen Sie in der Liste nach „USB High Speed Serial Converter“. Wenn dort nichts Ähnliches zu finden ist, sollte der Installationsvorgang noch einmal wiederholt werden. Nach erfolgreicher Installation der Treiber erscheint das USB Serial Port (COMx)-Gerät im Eintrag USB High Speed Serial Converter, wobei x die Nummer des virtuellen seriellen Ports ist. Die Grundparameter von COMx sind identisch mit den Parametern und Einstellungen einer standardmäßigen seriellen Schnittstelle. Sie können die UART-Geschwindigkeit, die Anzahl der Bits pro Wort, den Paritätsmodus, die Stoppbitlänge und die Flusskontrollmethode ändern. Der einzige Unterschied besteht in der Möglichkeit, die Portnummer x im Fenster „Erweiterte Porteinstellungen“ auszuwählen oder zu ändern. Als virtuelles COM-Port-Programmiertool für Windows 98 können Sie die Standard-VCOMM-API-Funktionsfamilie verwenden. Dokumentation und andere nützliche Informationen zu ihrer Verwendung finden Sie im MSDN (Microsoft Developer Network). FTDI bietet eine weitere Lösung, die keine seriellen Emulationstreiber erfordert. Die von ihren Autoren D2XX genannte Architektur basiert auf der WDM-Technologie. Die Programmierung des Geräts erfolgt über den USB-Stack und die dynamische Bibliothek des Treibers. Die Website des Unternehmens enthält Quellcodebeispiele in mehreren gängigen Programmiersprachen sowie das D2XX-Programmierhandbuch. EINSTELLUNG DER BAUDRATE Informationen zu den Werten des Taktfrequenzteilungsfaktors durch den programmierbaren Teiler der Mikroschaltung FT8U245AM, die zum Erhalten der einen oder anderen Datenaustauschrate erforderlich sind, sind in der Datei ftdiport.inf enthalten, die dem Treiber beiliegt. Durch Ändern dieser Werte können Sie nicht standardmäßige UART-Geschwindigkeiten erreichen. Allerdings müssen sie häufiger geändert werden, um beispielsweise die Frequenzabweichung des Quarzresonators von den nominellen 6 MHz zu berücksichtigen. Um den gewünschten Teilungsfaktor zu berechnen, wird eine Zahl, die halbe Frequenz des Quarzresonators (Hz), durch die erforderliche Baudrate (Baud) geteilt. Der Quotient wird auf die nächste Zahl mit einem Bruchteil von 0,125, 0,25, 0,5 oder auf eine ganze Zahl gerundet. Der resultierende Wert muss in einen 16-Bit-Binärcode umgewandelt werden. In den 14 niedrigstwertigen Ziffern des Codes (D0-D13) wird der ganzzahlige Teil des Koeffizienten eingetragen, in den höheren (D14, D15) der Bruchteil gemäß der Tabelle. Dieser Code wird dann in eine zwei Byte lange Hexadezimalzahl umgewandelt.
Suchen Sie auf einem Windows 98-System im Abschnitt [FtdiPort232.HW.AddReg] der oben erwähnten Datei ftdiport.inf nach der Zeile HKR,,configData,1,01,00,3F.3F,10,27,88,13,C4,09,E2,04,71,02,38,41,9C,£0,4E,CO,34,00,1A,00,0Dt 0,06,40,03, 80,00,00, 00, 00 Bitte beachten Sie, dass es bedingt in mehrere Zeilen unterteilt ist und in der Datei als einzelne Zeile ohne Leerzeichen geschrieben werden muss. Koeffizientenwerte, die geändert werden können, werden der Einfachheit halber abwechselnd fett und kursiv dargestellt. In der Datei sind keine Auswahlen zulässig. Das Low-Byte jedes Koeffizienten wird zuerst geschrieben, gefolgt vom High-Byte. Beispielsweise entspricht die Sequenz E2,04 der Nummer 4E2H. Nachdem die erforderlichen Änderungen vorgenommen wurden, wird die bearbeitete Datei durch die Originaldatei ersetzt. Bearbeiten Sie unter Windows 2000 dieselbe Zeile im Abschnitt [FtdiPort232.NT.HW.AddReg] derselben Datei auf die gleiche Weise. Autoren: A. Lysenko, R. Nazmutdinov, I. Malygin, Jekaterinburg
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