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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Convertidores de interfaz USB basados en chips FT8U232AM, FT8U245AM. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Компьютеры Ahora no sorprenderá a nadie con la capacidad de conectar dispositivos USB a una computadora. En comparación con los puertos de E / S de computadora tradicionales (serie - COM, paralelo - LPT), el bus serie universal (Universal Serial Bus) proporciona una tasa de intercambio de datos más alta. El rendimiento máximo de la versión USB 1.1 es de 12 Mbps, la versión 2.0 más reciente es de 480 Mbps. Para dispositivos de baja velocidad, se proporciona una velocidad de 1,5 Mbps. Sin embargo, el protocolo de intercambio de datos USB es complicado y hasta hace poco no era posible implementarlo no solo para radioaficionados, sino también para muchos especialistas. Hoy en día, al instalar el chip FT8U232AM o FT8U245AM en el dispositivo que se está desarrollando, puede convertir el USB en un puerto serie o paralelo "virtual" y realizar un intercambio de datos de alta velocidad utilizando métodos conocidos, sin tener en cuenta muchas características del USB. operación. Conectar su computadora a periféricos usando USB es muy fácil. Se permite acoplar y desacoplar conectores sin apagar la computadora, el reconocimiento automático del dispositivo se proporciona inmediatamente después de conectarlo, seguido de la instalación de los controladores necesarios. La topología de bus ramificado (Fig. 1) implica el uso de hubs, a menudo llamados "hubs" (hub en inglés).
La unidad del sistema de la computadora tiene un concentrador raíz (concentrador raíz), equipado con dos o cuatro tomas USB, a las que se conectan dispositivos periféricos directamente oa través de concentradores. A veces, los propios dispositivos USB (la mayoría de las veces, un monitor y un teclado) están equipados con concentradores integrados; en otros casos, los concentradores diseñados como productos independientes se utilizan para bifurcar el bus. En la fig. 2. Su número total puede llegar a 127, más que suficiente para todas las aplicaciones imaginables. Hasta hace poco, el "host" (host) de esta red (a diferencia del local habitual) solo podía ser uno: la computadora misma. Sin embargo, una adición al estándar USB 2001 publicada a fines de 1.0 con el nombre OTG 2.0 permitió que los dispositivos periféricos realizaran algunas funciones de host. Esto permitirá, por ejemplo, conectar un escáner USB directamente a una impresora USB, sin pasar por la computadora.
El sistema operativo de la computadora asigna un número de identificación único a cada dispositivo USB conectado, que es necesario para la configuración, administración y comunicación del sistema. Las sesiones de comunicación ocurren en modo por lotes. Todos los componentes de la red USB están conectados mediante cables que consisten en dos pares de cables trenzados. En uno de ellos hay un intercambio de datos bidireccional, en el otro, un voltaje constante de 5 V, por lo que los dispositivos periféricos económicos pueden no contener sus propias fuentes de alimentación. Los cables USB tienen dos tipos de conectores incompatibles: A en el lado que mira hacia la computadora y B en el lado que mira hacia el periférico. Esto evita una conexión errónea. De acuerdo con la adición OTG 1.0 mencionada anteriormente, se han introducido dos tipos más de conectores de dimensiones reducidas: mini-A y mini-B, así como una toma universal mini-AB que es compatible con ambos tipos de enchufes. Todos los conectores USB están diseñados para conectarse y desconectarse rápida y fácilmente en varias ocasiones. El alcance de USB no se limita a las aplicaciones multimedia. Esta interfaz de alta velocidad, diseñada para servir a una gran cantidad de dispositivos, es conveniente para equipos de comunicación, recopilación y almacenamiento de información, que tradicionalmente se conectan a los puertos COM y LPT de las computadoras. Desafortunadamente, reemplazar una interfaz en un dispositivo existente es bastante difícil. Una forma de solucionar el problema es utilizar convertidores de varias interfaces a USB. Dispositivos similares basados en chips de la empresa inglesa FTDI (Future Technology Devices International) ya están apareciendo en el mercado ruso. La empresa produce actualmente tres chips multifuncionales: FT8U100AX, FT8U232AM y FT8U245AM. El primero de ellos le permite crear un concentrador USB de siete puertos. Los otros dos (su apariencia y asignaciones de pines se muestran en la Fig. 3) están diseñados para interactuar con varios dispositivos con el bus USB. Las dimensiones del paquete QFP-32 son 7x7 mm, el paso del pasador es de 0,8 mm.
FT8U232AM - Convertidor de USB a interfaz serial tradicional - se puede instalar en módems USB, adaptadores COM-USB, lectores de códigos de barras, equipos de medición - de hecho, en cualquier dispositivo que anteriormente usaba interfaces RS-232, RS-422, RS-485 relativamente lentas . Es capaz de transmitir datos en ambas direcciones a velocidades de hasta 2000 kbps, y el usuario no necesita ningún conocimiento sobre el dispositivo y el funcionamiento del USB. Los controladores de software suministrados por FTDI dan la impresión de que la comunicación se realiza a través de un puerto COM normal. el diagrama funcional de FT8U232AM se muestra en la fig. 4. Su base son los transceptores de ambas interfaces. El bloque UART está equipado con un conjunto completo de circuitos de señal del estándar RS-232, el transceptor USB, con solo dos salidas de información USBDP y USBDM, que forman un canal de transferencia de datos bidireccional. El bloque SIE convierte el código en serie en paralelo y viceversa, realiza procedimientos de bitstaffing, genera (para el flujo de datos salientes) y verifica (para los entrantes) códigos de control.
El controlador de protocolo USB de bajo nivel genera respuestas a las solicitudes del controlador de host (computadora). A través de él, controlan el modo de funcionamiento de la UART. Existen dos buffers intermedios de almacenamiento de datos (FIFO) con una capacidad de 384 bytes (para recepción) y 128 bytes (para transmisión). El FIFO es administrado por el controlador apropiado. El oscilador maestro del microcircuito está alimentado por un resonador externo de cuarzo o cerámica a 6 MHz. Además, su frecuencia se multiplica por 8 (hasta 48 MHz). El reloj UART se obtiene a partir de 48 MHz en dos pasos: dividiendo por 16, luego al valor deseado usando un divisor programable. El controlador UART puede operar a velocidades de 300 baudios a 2 Mbaudios, pero la velocidad máxima alcanzable real depende del convertidor de nivel IC utilizado con el FT8U232AM. Los pines EECS, EESK, EEDATA del chip FT8U232AM están diseñados para conectar una memoria no volátil externa: el chip EEPROM AT93C46, que almacena los identificadores del fabricante (VID) y el número de serie personal (PID) del producto y otros datos. Esto es necesario si varios dispositivos basados en chips FT8U232AM están conectados simultáneamente a la computadora a través de USB. El número de serie es especialmente importante, ya que el controlador del software se basa en su unicidad, asociando uno u otro puerto COM virtual a un dispositivo específico. Si no hay ROM, solo se puede conectar a la computadora un dispositivo que forma un puerto COM virtual. Un nivel bajo en la entrada RESET hace que el chip FT8U232AM se reinicie. Se debe conectar un circuito RC al pin RCCLK, lo que retrasa el inicio del microcircuito por un tiempo suficiente para "construir" el resonador de cuarzo conectado a los pines XTIN, XTOUT. La entrada TEST solo se usa en el modo de depuración. En funcionamiento normal, debe estar conectado a tierra (GND). Hay varias salidas auxiliares. Un nivel alto en la salida USBEN señala la finalización del proceso de inicialización del microcircuito a través de USB. Si no hay intercambio de datos durante algún tiempo, el microcircuito cambia automáticamente al "modo de suspensión", como lo demuestra el bajo nivel en la salida SLEEP. Niveles similares en las salidas TXLED y RXLED indican que se están transmitiendo o recibiendo datos, respectivamente. La señal de la salida TXDEN está diseñada para controlar el transceptor de la interfaz RS-485. Su nivel es alto cuando se transmiten datos en la línea TXD. La tensión de alimentación del microcircuito FT8U232AM (VCC) es de 4,4 ... 5,25 V, el consumo de corriente no supera los 50 mA en funcionamiento y 250 μA en modo de suspensión. Si el microcircuito está alimentado por voltaje suministrado a través de USB, su pin 14 (PWRCTL) debe estar conectado a tierra (GND), si el dispositivo tiene su propia fuente de alimentación, al circuito VCC. Las salidas lógicas del microcircuito están diseñadas para corriente de hasta 4 mA (salida) y hasta 8 mA (entrada). El chip FT8U245AM le permite organizar el intercambio de datos entre un dispositivo periférico y una computadora a una velocidad de hasta 1 Mbps. Se puede utilizar en módems RDSI y ADSL, en cámaras digitales y reproductores de MP8, en equipos de medición. A diferencia del FT245U0AM, no contiene un bloque UART, emitiendo datos recibidos a través de USB desde un búfer (FIFO) o recibiéndolos allí a través de un bus de datos bidireccional paralelo de ocho bits (D7 - DXNUMX). Este chip interactúa convenientemente con cualquier microprocesador y microcontrolador utilizando sus canales de acceso directo a memoria (DMA) o puertos de E/S. Los diagramas de tiempo para leer y escribir un byte se muestran en la fig. 5.
La presencia de datos recibidos a través de USB (el tamaño del búfer de recepción es de 128 bytes) se indica por el bajo nivel de la señal RXF. Los datos se leen hasta que el búfer está vacío y RXF es alto. Después de llenar los 384 bytes del búfer de transmisión, la señal TXE permanece alta y el microcircuito deja de aceptar nuevos datos hasta que el contenido del búfer se transfiere a través del US B a la computadora. Para no retrasar el intercambio, se proporciona un temporizador de 16 ms. Si el búfer de envío no está lleno dentro de este intervalo y no llegan datos nuevos, el contenido del búfer se envía automáticamente a la computadora. El chip FT8U232AM tiene una propiedad similar. Para los desarrolladores de hardware que dominan los chips FT8U232AM y FT8U245AM, GIGATECHNO-LOGY ofrece módulos de depuración, uno de los cuales se muestra en la fig. 6.
Además del microcircuito, la placa tiene todos los elementos pasivos necesarios para su funcionamiento, un resonador de cuarzo y una toma USB tipo B. El módulo se instala en un panel DIP estándar de 32 pines "ancho". El módulo está alimentado por USB, lo que elimina la necesidad de una fuente adicional. El diagrama del convertidor de interfaz USB-RS-232 completo se muestra en la fig. 7. Con él, muchos dispositivos equipados con una interfaz RS-232 se pueden conectar a una computadora a través de USB. El convertidor se conecta a una computadora (o concentrador) mediante un enchufe USB tipo A (CN1), equipado con un cable de conexión de 1,5 m. No aumente la longitud más allá de la especificada, de lo contrario, el USB no funcionará correctamente.
El chip U3 FT8U232AM se conecta según el esquema estándar recomendado por el fabricante. El nodo en el transistor Q1 en el momento de la fuente de alimentación (conectando el convertidor a la red USB) genera un pulso que reinicia el chip U3. La tensión de alimentación se suministra a los nodos del convertidor a través de los filtros FB1 y FB2: se colocan cables ordinarios con arandelas de ferrita. El circuito R5C10 crea un retraso para el arranque del generador en el resonador Y1, que se puede usar como HC49U importado, PK415 doméstico, etc. Si el resonador es de dos terminales y no contiene capacitores incorporados, puede ser necesario para instalar condensadores externos con una capacidad de 10 ... 20pF. El chip U1 contiene receptores y transmisores de señales de interfaz que cumplen con el estándar RS-232, así como convertidores de voltaje de 5 V a +10 y -10 V, necesarios para su funcionamiento. El chip SP213EHCA (Sipex) que se muestra en el diagrama proporciona una tasa de intercambio de datos de hasta 460 kbaudios. Si 115 kbaud son suficientes, el chip especificado se puede reemplazar con el SP213ECA de la misma empresa, MAX213CAI (Maxim) o ADM213EARS (Analog Devices). El chip U1 93C46, como ya se mencionó, no es necesario. Si decide instalarlo, primero debe programarlo siguiendo las recomendaciones del apéndice a la descripción del chip FT8U232AM. Este documento y mucha otra información técnica y de referencia útil se pueden encontrar en el sitio web de FTDI. . La apariencia del convertidor se muestra en la fig. 8. Su PCB se encuentra dentro de la carcasa del conector DB-9M.
Cabe señalar que el tablero desarrollado, cuyos dibujos de las capas se muestran en la Fig. 9, - cuatro capas.
Está diseñado para la instalación de elementos en ambos lados, incluidas resistencias y condensadores de tamaño 0603 (1,6x0,8 mm) para montaje en superficie (SMD). En condiciones de aficionado, dicho tablero se puede hacer a partir de dos tableros de doble cara pegados entre sí a través de una junta aislante. Toda la documentación necesaria para la fabricación del tablero en fábrica Si no es posible usar elementos SMD y hacer un tablero multicapa, deberá desarrollar uno regular de forma independiente para elementos estándar. INSTALACIÓN DE CONTROLADORES COM VIRTUAL El controlador de puerto COM virtual (VCP - Puerto COM virtual) para cualquier sistema operativo de interés se puede encontrar en el sitio web oficial de FTDI en la sección de temas Controladores y utilidades. Los controladores VCP están disponibles en dos versiones: para dispositivos conectados a través de un convertidor de interfaz y compatibles con la tecnología (Plug and Play PnP) y dispositivos similares sin dicha compatibilidad (Pop-PnP). Un error al elegir un controlador provoca un retraso en la carga del sistema operativo de 20...30 s. El procedimiento para instalar un controlador VCP en Windows no es diferente de instalar un controlador para cualquier otro dispositivo. Todos los archivos del archivo en el que se suministra el controlador deben copiarse en un disquete o en una carpeta especialmente creada en el disco duro. Luego, después de haber conectado un convertidor de interfaz (u otro dispositivo basado en chips FT8U232AM, FT8U245AM) a USB, abra la ventana "Agregar o quitar hardware" y siga las instrucciones del "Asistente de instalación". Para verificar que los controladores se hayan instalado correctamente, abra la pestaña "Administrador de dispositivos" en la ventana "Propiedades del sistema" y busque Convertidor serie de alta velocidad USB en la lista. Si no hay nada similar allí, el procedimiento de instalación debe repetirse nuevamente. Después de la instalación exitosa de los controladores, el dispositivo del puerto serie USB (COMx) aparecerá en el elemento Convertidor serie USB de alta velocidad, donde x es el número del puerto serie virtual. Los parámetros básicos de COMx son idénticos a los parámetros y configuraciones de un puerto serie estándar. Puede cambiar la velocidad de UART, la cantidad de bits por palabra, el modo de paridad, la longitud del bit de parada, el método de control de flujo. La única diferencia es la capacidad de seleccionar o cambiar el número de puerto x en la ventana "Configuración avanzada de puertos". Como herramienta de programación de puerto COM virtual para Windows 98, puede utilizar la familia de funciones API VCOMM estándar. La documentación y otra información útil sobre su uso se encuentran en MSDN (Microsoft Developer Network). FTDI ofrece otra solución que no requiere controladores de emulación en serie. La arquitectura, denominada D2XX por sus autores, está basada en tecnología WDM. El dispositivo se programa a través de la pila USB y la biblioteca dinámica del controlador. El sitio web de la empresa contiene ejemplos de código fuente en varios lenguajes de programación populares, así como el Manual de programadores de D2XX. CONFIGURACIÓN DE LA VELOCIDAD DE BAUDIOS La información sobre los valores del factor de división de la frecuencia del reloj por el divisor programable del chip FT8U245AM, que son necesarios para obtener una determinada tasa de intercambio de datos, se encuentra en el archivo ftdiport.inf que acompaña al controlador. Al cambiar estos valores, puede lograr velocidades UART no estándar. Sin embargo, con mayor frecuencia deben cambiarse para tener en cuenta, por ejemplo, la desviación de frecuencia del resonador de cuarzo de los 6 MHz nominales. Para calcular el factor de división deseado, un número de la mitad de la frecuencia del resonador de cuarzo (Hz) se divide por la tasa de baudios requerida (Baud). El cociente se redondea al número más cercano con una parte fraccionaria de 0,125, 0,25, 0,5 o a un número entero. El valor resultante debe convertirse a un código binario de 16 bits. En los 14 dígitos menos significativos del código (D0-D13), se ingresa la parte entera del coeficiente, y en los mayores (D14, D15), la parte fraccionaria de acuerdo con la tabla. Luego, este código se convierte en un número hexadecimal de dos bytes.
En un sistema Windows 98, en la sección [FtdiPort232.HW.AddReg] del archivo ftdiport.inf mencionado anteriormente, busque la línea 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 Tenga en cuenta que está dividido en varias líneas condicionalmente, y en el archivo debe escribirse como uno solo, sin espacios. Los valores de coeficiente que se pueden cambiar se muestran en negrita y cursiva alternativamente para mayor comodidad. No se permiten selecciones en el archivo. El byte bajo de cada coeficiente se escribe primero, seguido del byte alto. Por ejemplo, la secuencia E2,04 corresponde al número 4E2H. Una vez realizados los cambios necesarios, el archivo editado se reemplaza por el original. Trabajando en Windows 2000, edite la misma línea en la sección [FtdiPort232.NT.HW.AddReg] del mismo archivo de la misma manera. Autores: A. Lysenko, R. Nazmutdinov, I. Malygin, Ekaterimburgo
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