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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Conversores de interface USB em microcircuitos FT8U232AM, FT8U245AM. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / informática A capacidade de conectar dispositivos USB a um computador não surpreenderá ninguém atualmente. Comparado às portas de E/S de computador tradicionais (serial - COM, paralela - LPT), o Universal Serial Bus oferece velocidades de troca de dados mais altas. A largura de banda máxima do USB versão 1.1 é de 12 Mbit/s, a versão mais moderna 2.0 é de 480 Mbit/s. Para dispositivos de baixa velocidade, a velocidade é de 1,5 Mbps. No entanto, o protocolo de troca de dados USB é complexo e até recentemente estava além do poder não apenas de rádios amadores, mas também de muitos especialistas. Hoje, ao instalar o microcircuito FT8U232AM ou FT8U245AM no dispositivo em desenvolvimento, você pode converter USB em uma porta serial ou paralela “virtual” e realizar troca de dados em alta velocidade usando os métodos usuais e conhecidos, sem levar em conta muitos dos recursos de operação USB. Conectar seu computador a dispositivos periféricos via USB é muito fácil. É permitido encaixar e desencaixar conectores sem desligar o computador, o reconhecimento automático do dispositivo é fornecido imediatamente após conectá-lo, seguido da instalação dos drivers necessários. A topologia de barramento ramificado (Fig. 1) envolve o uso de concentradores, mais comumente chamados de “hubs”.
A unidade do sistema informático possui um hub raiz, equipado com duas ou quatro tomadas USB, às quais os dispositivos periféricos são conectados diretamente ou através de hubs. Às vezes, os próprios dispositivos USB (geralmente um monitor e um teclado) são equipados com hubs integrados; em outros casos, hubs projetados como produtos independentes são usados para ramificar o barramento. Um exemplo de conexão de um conjunto regular de dispositivos periféricos USB a um computador é mostrado na Fig. 2. Seu número total pode chegar a 127 – mais que suficiente para todas as aplicações imagináveis. Até recentemente, só poderia haver um “mestre” (host) desta rede (em oposição a uma rede local normal) – o próprio computador. No entanto, uma adição ao padrão USB 2001 publicada no final de 1.0 sob o nome OTG 2.0 permitiu que dispositivos periféricos executassem algumas funções de host. Isto permitirá, por exemplo, conectar um scanner USB diretamente a uma impressora USB, ignorando o computador.
Cada computador conectado a um dispositivo USB recebe um número de identificação exclusivo do sistema operacional do computador, que é necessário para configuração, gerenciamento e troca de dados do sistema. As sessões de comunicação ocorrem em modo batch. Todos os componentes de uma rede USB são conectados por meio de cabos compostos por dois pares de fios trançados. Um deles transporta troca de dados bidirecional, o outro transporta uma tensão constante de 5 V, de modo que dispositivos periféricos econômicos não precisam conter suas próprias fontes de alimentação. Os cabos USB possuem dois tipos de conectores incompatíveis: A - na lateral voltada para o computador e B - na lateral voltada para o dispositivo periférico. Isso evita uma conexão errada. De acordo com a adição OTG 1.0 mencionada acima, foram introduzidos mais dois tipos de conectores de dimensões reduzidas: mini-A e mini-B, além de uma tomada universal mini-AB, compatível com plugues de ambos os tipos. Todos os conectores USB são projetados para serem conectados e desconectados de forma rápida e fácil. O escopo do USB não se limita a aplicações multimídia. Essa interface de alta velocidade, projetada para atender um grande número de dispositivos, é conveniente para equipamentos de comunicação, coleta e armazenamento de informações, que tradicionalmente são conectados às portas COM e LPT dos computadores. Infelizmente, substituir a interface de um dispositivo existente é bastante difícil. Uma maneira de resolver o problema é usar conversores de diversas interfaces para USB. Dispositivos semelhantes baseados em chips da empresa inglesa FTDI (Future Technology Devices International) já estão aparecendo no mercado russo. A empresa produz atualmente três chips multifuncionais: FT8U100AX, FT8U232AM e FT8U245AM. O primeiro deles permite criar um hub USB de sete portas. Os outros dois (sua aparência e atribuição de pinos são mostrados na Fig. 3) destinam-se ao emparelhamento de vários dispositivos com o barramento USB. As dimensões do case QFP-32 são 7x7 mm, o passo dos pinos é de 0,8 mm.
FT8U232AM - um conversor de interface USB para serial tradicional - pode ser instalado em modems USB, adaptadores COM-USB, leitores de código de barras, equipamentos de medição - na verdade, em qualquer dispositivo que anteriormente usava RS-232, RS-422, RS-485 relativamente lentos interfaces. É capaz de transmitir dados em ambas as direções em velocidades de até 2000 kbps, e o usuário não requer nenhum conhecimento do dispositivo e operação do USB. Os drivers de software fornecidos pela FTDI criam a impressão de que a troca ocorre através de uma porta COM normal. O diagrama funcional do FT8U232AM é mostrado na Fig. 4. Sua base são os transceptores de ambas as interfaces. O bloco UART é equipado com um conjunto completo de circuitos de sinal do padrão RS-232, o transceptor USB é equipado com apenas dois pinos de informação USBDP e USBDM, formando um canal bidirecional de transmissão de dados. O bloco SIE converte código serial em paralelo e vice-versa, executa procedimentos de bitstaffing, gera (para o fluxo de dados de saída) e verifica (para o fluxo de entrada) códigos de controle.
O manipulador de protocolo USB de nível inferior gera respostas às solicitações do controlador host (computador). O modo de operação UART também é controlado por meio dele. Existem dois buffers para armazenamento intermediário (FIFO) com capacidade de 384 bytes (para recepção) e 128 bytes (para transmissão). O gerenciamento FIFO é atribuído ao controlador correspondente. O oscilador mestre do microcircuito opera a partir de um ressonador externo de quartzo ou cerâmica a 6 MHz. A seguir, sua frequência é multiplicada por 8 (até 48 MHz). A frequência do clock UART é obtida a partir de 48 MHz em duas etapas: dividindo por 16, depois até o valor desejado usando um divisor programável. O controlador UART pode operar em velocidades de 300 Baud a 2 MBod, mas a velocidade máxima real alcançável depende do chip conversor de nível de sinal de interface usado em conjunto com o FT8U232AM. Os pinos EECS, EESK, EEDATA do chip FT8U232AM destinam-se à conexão de memória externa não volátil - o chip EEPROM AT93C46, que armazena os identificadores do fabricante (VID) e o número de série pessoal (PID) do produto e outros dados. Isso é necessário se vários dispositivos nos chips FT8U232AM estiverem conectados simultaneamente ao computador via USB. O número de série é especialmente importante, pois o driver do software depende de sua exclusividade, associando uma ou outra porta COM virtual a um dispositivo específico. Se não houver ROM, apenas um dispositivo poderá ser conectado ao computador, formando uma porta COM virtual. Um nível baixo na entrada RESET retorna o chip FT8U232AM ao seu estado inicial. Um circuito RC deve ser conectado ao pino RCCLK, o que atrasa o início da operação do microcircuito por um tempo suficiente para “acionar” o ressonador de quartzo conectado aos pinos XTIN, XTOUT. A entrada TEST é usada apenas no modo de depuração. Durante a operação normal, deve ser conectado ao terra (GND). Existem diversas saídas auxiliares. Um nível alto na saída USBEN sinaliza a conclusão do processo de inicialização do microcircuito via USB. Se nenhuma troca de dados ocorrer por algum tempo, o chip entra automaticamente no modo sleep, conforme evidenciado pelo nível baixo na saída SLEEP. Níveis semelhantes nas saídas TXLED e RXLED indicam que os dados estão sendo transmitidos ou recebidos, respectivamente. O sinal da saída TXDEN destina-se a controlar o transceptor RS-485. Seu nível é alto quando os dados estão sendo transmitidos pela linha TXD. A tensão de alimentação do microcircuito FT8U232AM (VCC) é de 4,4...5,25 V, o consumo de corrente não é superior a 50 mA no modo de operação e 250 μA no modo de suspensão. Se o microcircuito for alimentado por tensão fornecida via USB, seu pino 14 (PWRCTL) deve ser conectado ao fio comum (GND), se o dispositivo possuir fonte de alimentação própria - ao circuito VCC. As saídas lógicas do microcircuito são projetadas para correntes de até 4 mA (saída) e até 8 mA (entrada). O chip FT8U245AM permite organizar a troca de dados entre um dispositivo periférico e um computador em velocidades de até 1 Mbit/s. Pode ser utilizado em modems ISDN e ADSL, em câmeras digitais e reprodutores de MP8 e em equipamentos de medição. Ao contrário do FT245U0AM, ele não contém um bloco UART, emitindo dados recebidos via USB de um buffer (FIFO) ou recebendo-os através de um barramento de dados bidirecional paralelo de oito bits (D7 - DXNUMX). Este chip faz interface convenientemente com quaisquer microprocessadores e microcontroladores usando seus canais de acesso direto à memória (DMA) ou portas de E/S. Os gráficos de tempo para ler e escrever um byte são mostrados na fig. 5.
A presença de dados recebidos via USB (o tamanho do buffer de recepção é de 128 bytes) é indicada por um nível baixo do sinal RXF. Os dados são lidos até que o buffer esteja vazio e o nível RXF fique alto. Após todos os 384 bytes do buffer de transmissão serem preenchidos, o nível do sinal TXE permanece alto e o chip para de aceitar novos dados até que o conteúdo do buffer seja enviado via USB B para o computador. Para não atrasar a troca, é fornecido um temporizador de 16 ms. Se durante este intervalo o buffer de transmissão não estiver completamente preenchido e nenhum dado novo for recebido, o conteúdo do buffer será enviado automaticamente para o computador. O chip FT8U232AM possui uma propriedade semelhante. Para desenvolvedores de hardware que dominam os microcircuitos FT8U232AM e FT8U245AM, a GIGATECHNO-LOGY oferece módulos de depuração, um dos quais é mostrado na Fig. 6.
Além do microcircuito, a placa contém todos os elementos passivos necessários ao seu funcionamento, um ressonador de quartzo e uma tomada USB tipo B. O módulo é instalado em um painel DIP “largo” padrão de 32 pinos. O módulo é alimentado por USB, o que elimina a necessidade de fonte adicional. O diagrama do conversor de interface USB-RS-232 completo é mostrado na Fig. 7. Com sua ajuda, muitos dispositivos equipados com interface RS-232 podem ser conectados a um computador via USB. O conversor é conectado a um computador (ou hub) por meio de um plugue USB tipo A (CN1) equipado com um cabo de conexão de 1,5 m de comprimento. Não se deve aumentar o comprimento além disso, pois isso causará mau funcionamento do USB.
O chip U3 FT8U232AM é conectado de acordo com o circuito padrão recomendado pelo fabricante. O nó do transistor Q1, no momento da alimentação (conectando o conversor à rede USB), gera um pulso que leva o chip U3 ao seu estado original. A tensão de alimentação é fornecida aos nós conversores através dos filtros FB1 e FB2 - fios comuns com arruelas de ferrite colocadas neles. O circuito R5C10 cria um atraso durante a inicialização do gerador no ressonador Y1, que pode ser usado como HC49U importado, RK415 doméstico, etc. Se o ressonador tiver dois terminais e não contiver capacitores embutidos, para iniciar o gerador, pode ser necessário instalar capacitores externos com capacidade de 10... 20pF. O chip U1 contém receptores e transmissores de sinais de interface que atendem ao padrão RS-232, bem como conversores de tensão de 5 V para +10 e -10 V necessários ao seu funcionamento. O chip SP213EHCA (Sipex) indicado no diagrama oferece velocidades de troca de dados de até 460 kBaud. Se uma velocidade de 115 kBaud for suficiente, o chip especificado pode ser substituído pelo SP213ECA da mesma empresa, MAX213CAI (Maxim) ou ADM213EARS (Analog Devices). O microcircuito U1 93С46, como já mencionado, é opcional. Se você decidir instalá-lo, você deve primeiro programá-lo usando as recomendações contidas no apêndice da descrição do chip FT8U232AM. Este documento e muitas outras informações técnicas e de referência úteis podem ser encontradas no site da FTDI . A aparência do conversor é mostrada na Fig. 8. Sua placa de circuito está localizada dentro do compartimento do plugue DB-9M.
Deve-se notar que a placa desenvolvida, cujos desenhos das camadas são mostrados na Fig. 9, - quatro camadas.
Foi projetado para instalação de elementos em ambos os lados, incluindo resistores e capacitores de tamanho 0603 (1,6x0,8 mm) para montagem em superfície (SMD). Em condições amadoras, essa placa pode ser feita a partir de duas placas de dupla face, coladas através de uma junta isolante. Toda a documentação necessária para fabricação da placa na fábrica Se não for possível usar elementos SMD e fazer uma placa multicamadas, você terá que desenvolver de forma independente uma placa regular para elementos padrão. INSTALANDO DRIVERS DE COM VIRTUAL O driver da porta COM virtual (VCP - Virtual COM Port) para qualquer sistema operacional de interesse pode ser encontrado no site oficial da FTDI na seção temática Drivers e Utilitários. Os drivers VCP são apresentados em duas versões: para dispositivos conectados por meio de conversor de interface e com suporte à tecnologia (Plug and Play PnP), e dispositivos similares sem esse suporte (Pop-PnP). Um erro na seleção do driver leva a um atraso de 20...30 s no carregamento do sistema operacional. O procedimento para instalar um driver VCP no Windows não é diferente de instalar um driver para qualquer outro dispositivo. Todos os arquivos do arquivo que contém o driver devem ser copiados para um disquete ou para uma pasta especialmente criada no disco rígido. A seguir, tendo conectado o conversor de interface (ou outro dispositivo baseado nos chips FT8U232AM, FT8U245AM) ao USB, abra a janela “Adicionar/Remover Hardware” e siga as instruções do “Assistente de Instalação”. Para garantir que os drivers foram instalados com sucesso, abra a guia “Gerenciador de Dispositivos” na janela “Propriedades do Sistema” e encontre Conversor serial USB de alta velocidade na lista. Se não houver nada semelhante, o procedimento de instalação deverá ser repetido novamente. Após a instalação bem-sucedida dos drivers, o dispositivo USB Serial port (COMx) aparecerá no item USB High Speed Serial Converter, onde x é o número da porta serial virtual. Os parâmetros básicos do COMx são idênticos aos parâmetros e configurações de uma porta serial padrão. Você pode alterar a velocidade UART, o número de bits por palavra, o modo de paridade, o comprimento do bit de parada e o método de controle de fluxo. A única diferença é a capacidade de selecionar ou alterar o número da porta x na janela “Configurações avançadas da porta”. Como ferramenta para programar uma porta COM virtual para Windows 98, você pode usar a família de funções padrão da API VCOMM. A documentação e outras informações úteis sobre seu uso estão contidas no MSDN (Microsoft Developer Network). A FTDI oferece outra solução que não requer drivers que emulem uma porta serial. A arquitetura, denominada D2XX por seus autores, é baseada na tecnologia WDM. O dispositivo é programado através da pilha USB e da biblioteca dinâmica de drivers. O site da empresa contém exemplos de código-fonte em algumas linguagens de programação populares, bem como um guia de programação, o Manual do Programador D2XX. CONFIGURAÇÃO DA TAXA DE BAUD As informações sobre os valores do coeficiente de divisão da frequência do clock pelo divisor programável do chip FT8U245AM, necessários para obter uma determinada taxa de troca de dados, estão contidas no arquivo ftdiport.inf que acompanha o driver. Ao alterar esses valores, você pode obter valores de velocidade UART não padrão. No entanto, com mais frequência eles precisam ser alterados para levar em consideração, por exemplo, o desvio da frequência do ressonador de quartzo dos 6 MHz nominais. Para calcular o fator de divisão necessário, o número da metade da frequência do cristal (Hz) é dividido pela taxa de transmissão necessária (Baud). O quociente é arredondado para o número mais próximo com uma parte fracionária de 0,125, 0,25, 0,5 ou para um número inteiro. O valor resultante deve ser convertido em código binário de 16 bits. A parte inteira do coeficiente é inserida nos 14 bits de ordem inferior do código (D0-D13), e a parte fracionária nos de ordem superior (D14, D15) de acordo com a tabela. Este código é então convertido em um número hexadecimal de dois bytes.
Trabalhando em um sistema Windows 98, na seção [FtdiPort232.HW.AddReg] do arquivo ftdiport.inf mencionado acima, encontre a linha 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 Observe que ele é condicionalmente dividido em várias linhas e deve ser escrito como uma única linha no arquivo, sem espaços. Por conveniência, os valores dos coeficientes que podem ser alterados são destacados em negrito e itálico alternadamente. Nenhuma seleção é permitida no arquivo. O byte inferior de cada coeficiente é escrito primeiro, seguido pelo byte superior. Por exemplo, a sequência E2,04 corresponde ao número 4E2H. Feitas as alterações necessárias, o arquivo original é substituído pelo arquivo editado. Trabalhando no Windows 2000, edite de forma semelhante a mesma linha na seção [FtdiPort232.NT.HW.AddReg] do mesmo arquivo. Autores: A. Lysenko, R. Nazmutdinov, I. Malygin, Yekaterinburg
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