TUSB3410 USB 轉串口控制器：特性、應用與設計要點

在電子設備的設計中，實現 USB 接口與串口設備之間的通信是一個常見需求。TI 的 TUSB3410 作為一款 USB 轉串口控制器，為解決這一問題提供了有效的方案。本文將詳細介紹 TUSB3410 的特性、應用場景以及設計過程中的關鍵要點。

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一、TUSB3410 概述

1.1 功能特性

TUSB3410 提供了 USB 端口與增強型 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 可從主機或外部板載內存通過 I2C 加載的 RAM，以及 10KB 允許 MCU 在啟動時配置 USB 端口的 ROM，且 ROM 代碼包含 I2C 引導加載程序。該設備具備以下顯著特性：

• 增強 UART 功能：支持軟件和硬件流控制、自動 RS - 485 總線收發器控制（有無回顯可選），還具備可選的 IrDA 模式，最高傳輸速率可達 115.2 kbps。
• USB 兼容性：完全符合 USB 2.0 全速規范，支持 12 Mbps 的 USB 數據速率，支持 USB 掛起、恢復和遠程喚醒操作，可配置為總線供電和自供電模式，總共支持三個輸入和三個輸出（中斷、批量）端點。
• 可配置串口特性：軟件可選波特率范圍從 50 BPS 到 921.6 kbps，可編程設置串口接口特性，如 5 - 8 位字符長度、奇偶校驗位生成與檢測、1 - 2 個停止位生成以及線路中斷生成與檢測。
• 內部資源豐富：集成 8052 微控制器，擁有 256 × 8 RAM 用于內部數據存儲、10K × 8 ROM（帶 USB 和 I2C 引導加載程序）、16K × 8 RAM 用于代碼空間加載，還具備內部測試和回環功能、調制解調器控制功能（CTS、RTS、DSR、RI 和 DCD），以及 2K × 8 共享 RAM 用于數據緩沖區和端點描述符塊（EDB）。

1.2 應用場景

TUSB3410 可廣泛應用于多種場景，如調制解調器外設（打印機、手持設備等）、醫療儀表以及 DSP 和 μC 接口等。它能夠幫助構建傳統串口外設與具有 USB 端口的 PC 之間的接口，實現數據的有效傳輸。

二、詳細技術分析

2.1 功能模式

2.1.1 USB 接口配置

TUSB3410 板載 ROM 微代碼使 MCU 能夠將設備枚舉為 USB 外設。ROM 微代碼還能通過 I2C 總線從外部內存或通過 USB 從主機將應用代碼加載到內部 RAM 中。根據不同情況，設備有外部內存加載和主機下載兩種模式。

• 外部內存加載：復位后，設備斷開與 USB 的連接，檢查 I2C 端口是否存在有效代碼。若存在，則將代碼從外部內存設備上傳到 RAM 程序空間，然后連接到 USB 進行枚舉和配置。
• 主機下載：若 I2C 端口未找到有效代碼，設備連接到 USB 進行枚舉和默認配置。主機可將額外的微代碼下載到 RAM 中，通過清除和設置 CONT 位使設備以新配置重新枚舉。

2.1.2 USB 數據移動

從 USB 角度看，TUSB3410 表現為 USB 外設設備，使用端點零作為控制端點，可配置多達三個輸入和三個輸出端點。大多數數據通過片上 DMA 傳輸在 USB 端和 UART 端之間移動，特殊情況可能使用 MCU 控制的編程 I/O。

2.1.3 串口設置

串口操作需要寫入一些控制寄存器進行配置，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寄存器。這些寄存器通常由主機應用程序控制。

2.1.4 串口數據模式

串口可配置為三種不同的數據模式：

• RS - 232 數據模式：默認模式，用于全雙工通信。調制解調器控制輸出（RTS 和 DTR）可與調制解調器通信或作為通用輸出，調制解調器控制輸入（CTS、DSR、DCD 和 RI/CP）可與調制解調器通信或作為通用輸入。還支持軟件流控制。
• RS - 485 數據模式：與 RS - 232 模式類似，但由于 RS - 485 是總線架構，為半雙工通信系統。TUSB3410 在該模式下控制 RTS 和 DTR 信號，可啟用 RS485 驅動器或接收器。軟件流控制雖支持但價值有限。
• IrDA 數據模式：按 IrDA 標準對 SOUT 進行編碼，對 SIN 進行解碼，最高速率可達 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

2.2.1 DMA 控制器

DMA 控制器在數據傳輸中起著關鍵作用，支持批量數據 I/O。以 IN 事務（TUSB3410 到主機）為例，MCU 初始化 IEDB 和相關 DMA 寄存器后，DMA 開始將數據從 UART 傳輸到 X 緩沖區。當一個 64 字節的塊傳輸完成后，DMA 更新字節計數并通知 UBM，然后繼續將數據傳輸到 Y 緩沖區，交替進行，直到滿足傳輸終止條件。

2.2.2 UART

UART 接收器具有 32 字節的 FIFO，有高、低兩個觸發級別。當達到高觸發級別時，RTS 端子變高或發送 Xoff；當達到低觸發級別時，RTS 端子變低或發送 Xon。此外，UART 還支持自動 RTS（接收器控制）、自動 CTS（發送器控制）以及 Xon/Xoff 接收器和發送器流控制。

2.2.3 I2C 端口

I2C 端口支持隨機讀取、當前地址讀取、順序讀取、字節寫入和頁面寫入等操作。每個操作都有特定的步驟和寄存器配置，以確保數據的正確傳輸和設備的正常工作。

2.3 內存管理

TUSB3410 的內存管理包括 MCU 內存映射、寄存器配置、緩沖區和 I/O RAM 映射以及端點描述符塊（EDB）。不同的內存區域和寄存器在設備的啟動、運行和數據傳輸過程中發揮著不同的作用。例如，ROM 影子配置寄存器（ROMS）用于切換設備的啟動模式和正常操作模式，不同的位設置決定了代碼空間的映射和操作權限。

三、設計與布局要點

3.1 典型應用設計

在將 TUSB3410 用作 USB 到 UART 橋接器時，需要滿足一些基本設計要求。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 收發器，并且需要一個 12 MHz 的晶體作為時鐘源。

• 上游端口實現：將 USB - 2.0 連接器的 VBUS 連接到 3.3V 電壓調節器，生成 VCC 所需的 3.3V 電源，再通過電壓分壓器生成 1.8V 的 VDD。
• 晶體實現：推薦使用并聯諧振晶體，通過在晶體兩端連接 33 - pF 電容器到地，結合設備的輸入電容和電路板雜散電容，實現接近 18 - pF 的負載要求。
• RS - 232 實現：所有串行數據線和控制信號都需要通過 RS - 232 驅動器，如 SN75LV4737A，然后連接到 DB9 連接器。
• 電源實現：VCC 和 VDD18 電源需要連接 0.1 - μF 的旁路電容器到地，以確保設備的正常運行。同時，建議在數字電源端子上添加 0.01 - μF 的較小值電容器。

3.2 布局準則

在 PCB 設計過程中，需要特別關注高速信號的布局，以確保信號質量和減少電磁干擾（EMI）問題。關鍵信號如 USB 2.0 差分對（DP 和 DM）、超高速差分對（SSTXP、SSTXN、SSRXP 和 SSRXN）需要遵循特定的路由和放置準則。例如，高速 USB 信號應盡量減少走線長度、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的間距和與參考平面的距離。

四、總結

TUSB3410 作為一款功能強大的 USB 轉串口控制器，為電子工程師提供了豐富的特性和靈活的配置選項。在設計過程中，理解其功能模式、處理器子系統、內存管理以及設計與布局要點是確保設備正常運行和實現高性能的關鍵。希望本文能夠為工程師們在使用 TUSB3410 進行設計時提供有價值的參考。

你在使用 TUSB3410 過程中遇到過哪些問題？或者對其應用有什么獨特的見解？歡迎在評論區分享交流。