利用USBUART桥接器实现单片机在线编程

引 言：

通用串行总线(USB)是一种支持即插即用的新型串行接口，使外设到计算机的连接更加高效便利。这种接口适合于多种设备，不仅具有快速、即插即用、支持热插拔的特点，还能同时连接多达127个设备，解决了如资源冲突、中断请求和直接数据通道等问题。因此,越来越多的开发者欲在自己的产品中使用这种标准接口。RS232是单个设备接入计算机时常采用的一种接入方式，其硬件和软件协议比较简单，有很多传统设备采用了这种通信方式。将USB转UART技术应用于单片机与PC机之间的数据通信，在计算机上产生一个虚拟的COM口，用户只需按照通用串行口一样使用USB口即可。这样不仅能使单片机具备USB通信的诸多优点，简化了USB编程，同时还可以利用USB对单片机提供5V的电源(500mA以下)。笔者根据芯片CP2101的USB转UART技术特点设计了实验电路板，达到了既提供实验电路板电源，又实现计算机与实验电路板通信的目的，并结合单片机IAP技术，可完成单片机的在线编程。

1 CP2101芯片的功能及工作电路图

芯片CP2101是一种高度集成的USB转UART桥接器，它包含有USB2.0全速功能控制器、USB收发器振荡器和异步串行接口(UART)。该芯片的全部功能集成在一个5mm×5mm的MLP28封装的IC中。CP2101内置有与计算机通信的USB协议，工作时，会在计算机上产生一个虚拟COM 口，用户就可以按照通用串行口的控制方式来使用这个COM口。

CP2101内集成有多个模块，各自完成不同的功能，如图1所示。

① USB功能控制器是一个符合USB 2.0的全速器件，集成了收发器和片内相应的上拉电阻，USB功能控制器管理 USB和 UART间所有的数据传输和由 USB主控制器发出的命令请求以及用于控制 UART功能的命令，USB接口的信号描述如表1所列。

② 异步串行接口(UART)包括TX (发送) 、RX (接收) 、数据信号以及RTS、 CTS、 DSR、 DTR、 DCD和 RI控制信号。UART支持 RTS/CTS、 DSR/DTR和 XOn/XOff握手协议，可以通过编程使UART支持各种数据格式和波特率，波特率的范围从300～921600不等。从CP2101转换出来的 UART信号不是标准的RS232电平，而是TTL电平，其信号描述如表2所列。

③ 内部 EEPROM可以用于存储由设备原始制造商定义的USB供应商ID、产品ID、产品说明、电源参数器件、版本号和器件序列号等信息。

④ 电压调节器是一个可以由USB总线驱动的器件电源，可在VDD引脚输出3.0~3.6 V电压，1~100 mA电流。

2 基于USB转UART技术的IAP编程电路设计

2.1CP2101的外围接口电路

CP2101是USB转串行口桥接器，它需要设计外接USB接口电路和RS232接口电路。USB接口电路实现CP2101与计算机之间的通信；RS232接口电路实现CP2101和外设之间的通信。接口电路如图2所示。其中RS232电平转换电路可根据需要选用MAX3243或 MAX232。

图2CP2101的外围接口电路

对用户来说，CP2101就是一个USB转RS232的芯片，只不过RS232的输入和输出信号均为TTL电平，而不是标准的RS232电平。它的使用与普通的USB外设相同，当第一次带电插入PC机USB接口时，系统会提示安装相应的驱动程序，驱动程序可从网站www.xhl.com.cn上下载。驱动程序安装完后，系统会自动增加一个COM口，用户就可以按照传统的串行口控制方式来使用这个带有5 V和3.3 V供电的“COM口”。

2.2根据CP2101设计IAP工作电路

根据IAP编程的工作原理，如果单片机在2 s内没有接收到任何IAP命令，在看门狗定时器的作用下将自动进入用户程序。用户还可以通过编程控制串行口上的RTS引脚产生复位信号来控制单片机。也可以在复位后（2 s内）直接以约定的波特率传送HEX代码文件，自动完成程序的擦除和写入，大大简化了IAP编程过程。

根据IAP编程的原理，作者先后设计了两种接口电路。一种是传统电路IAP工作电路，没有使用CP2101芯片，如图3所示。另一种是利用CP2101设计的IAP工作电路，如图4所示。

在传统电路IAP工作电路中，利用USB接口提供TTL电源，串行口提供IAP编程、数据传输及复位控制信号。图3中，R1、R2、C1和K1构成传统的上电自动和手动复位电路，R7、D1构成一个由串行口RTS端控制的复位电路；串行口信号需要由RS232电平转换为TTL电平，需要设计电平转换电路或采用专用的电平转换芯片。该电路工作时需要有两个接口，USB接口和COM接口，USB接口的功能是提供TTL电平的电源，串行接口的功能是串行口通信、IAP编程及复位信号控制。

在利用CP2101设计的IAP工作电路中，USB接口除了提供TTL电源外、还有串行口通信、 IAP编程及复位信号控制。图4中，R5、R6、C2和K2构成传统的上电自动和