專利名稱：船用usb轉四串口連接器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于接口轉換領域，尤其是一種船用USB轉四串口連接器。
背景技術：
目前，串口是計算機上一種非常通用設備通信的協(xié)議。大多數計算機包含有基于 RS-232的串口。串口同時也是儀器儀表設備通用的通信協(xié)議；很多GPIB兼容的設備也帶有RS-232 口。同時，串口通信協(xié)議也可以用于獲取遠程采集設備的數據。串口通信的概念非常簡單，串口按位發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數據的同時用另一根線接收數據，其結構簡單并且能夠實現遠距離通信。比如 IEEE488定義并行通行狀態(tài)時，規(guī)定設備線總長不得超過20米，并且任意兩個設備間的線長不得超過2米；而對于串口而言，長度可達1200米。USB是英文Universal Serial BUS的縮寫，中文含義是“通用串行總線”。它不是一種新的總線標準，而是應用在PC領域的接口技術。目前主板中主要是采用USB1. 1和 USB2. 0，各USB版本間能很好的兼容。USB用一個4針插頭作為標準插頭，采用菊花鏈形式可以把所有的外設連接起來，最多可以連接127個外部設備，并且不會損失帶寬。目前的主板一般都采用支持USB功能的控制芯片組，主板上也安裝有USB接口插座，而且除了背板的插座之外，主板上還預留有USB插針，可以通過連線接到機箱前面作為前置USB接口以方便使用，而且USB接口還可以通過專門的USB連機線實現雙機互連，并可以通過Hub擴展出更多的接口。USB具有傳輸速度快(USB1. 1是12Mbps，USB2.0是480Mbps)，使用方便，支持熱插拔，連接靈活，獨立供電等優(yōu)點。USB接口可用于連接多達127種外設，如鼠標、調制解調器和鍵盤等。USB自從1996年推出后，已成功替代串口和并口，并成為當今個人電腦和大量智能設備的必配的接口之一。然而在很長一段時間內，基于RS-232等串口協(xié)議的接口方式是許多儀表儀器、控制終端等的主流通信方式之一。這與現在的主流上位機的USB接口方式不相匹配?，F在的計算機大多是只有一個串口，甚至沒有串口，這樣就無法同時或無法處理各種儀表儀器的數據。由于理論上計算機可以同時處理127種USB設備，因此使用USB到串口轉接器把各種儀表儀器通過USB 口接入計算機，無疑可以非常有效地解決上述問題，從而達到使用一臺計算機同時處理各種儀表儀器數據的目的。雖然，市場上已經出現了一些 USB轉串口連接器，但是他們大都只是實現了轉換功能，而沒有考慮該連接器的電磁兼容特性，所以并不適用于對電磁兼容特性要求較高的船用設備。
發(fā)明內容本實用新型的目的在于克服現有技術的不足，提供一種設計合理、具有優(yōu)良電磁兼容性特性的船用USB轉四串口連接器。本實用新型解決其技術問題是采取以下技術方案實現的—種船用USB轉四串口連接器，包括USB轉四串口模塊、電源模塊、USB接口模塊和四個串口模塊，電源模塊與USB轉四串口模塊、USB接口模塊、四個串口模塊相連接為其供電，USB轉四串口模塊分別與USB接口模塊和四個串口模塊相連接，USB接口模塊與計算機的USB 口相連接，四個串口模塊分別與四個串口設備相連接。而且，所述的USB轉四串口模塊采用FT4232HL芯片。而且，所述的USB接口模塊采用ADUM4160對輸入USB總線兩個差分信號有效進行隔離，采用NUP4202對USB總線差分信號進行靜電防護；而且，所述的串口模塊采用MAX3535EEWI完成RS-422串口協(xié)議、輸入輸出端口的電源、信號隔離及對信號進行靜電防護。而且，所述的USB接口模塊與計算機的USB 口通過USB連接插件相連接，四個串口模塊分別與四個串口設備通過串口連接插件相連接。而且，所述的USB轉四串口模塊還連接一串口通信指示燈電路，該串口通信指示燈電路設有指示四個串口數據收發(fā)狀態(tài)的發(fā)光二極管。而且，所述的串口通信指示燈電路采用SN74HCT595D芯片的串行輸出端信號驅動發(fā)光二極管。而且，所述的電源模塊還包括電源指示燈。本實用新型的優(yōu)點和積極效果是本實用新型是針對船用設備主機中USB總線接口富裕、串口不足并且對電磁兼容特性要求較高的特點而設計的，實現了將一個USB接口擴展為四個串口，滿足了串口船用設備互聯(lián)的需求，具有高隔離度、具有優(yōu)良電磁兼容性的特點。該連接器對輸入、輸出端進行了一定的隔離處理，使其電壓隔離度達到2KV·，該連接器采用全雙工工作方式； 遵從USB1. 0、USB1. 1規(guī)范，并向后兼容USB2. 0規(guī)范；支持RS-422串口協(xié)議，串口速率為 300bps-115. 2Kbps ；具有士 15KV的ESD保護功能；同時采用USB總線直接取電方式，無需外接電源，從而簡化了連接器并簡化其使用場景要求，避免了外接電源適配器可能帶來的電磁干擾，非常適合在對電磁兼容要求較高的環(huán)境中使用。

圖1是本實用新型的電路方框圖；圖2是USB轉四串口模塊的內部結構示意圖；圖3是USB轉四串口模塊的電路連接示意圖；圖4是電源模塊的供電框圖；圖5是電源模塊的電路原理圖；圖6是USB接口模塊的電路原理圖圖7是串口模塊電路原理圖圖8是串口通信指示燈電路的原理圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型實施例做進一步詳述一種船用USB轉四串口連接器，如圖1所示，包括USB轉四串口模塊、電源模塊、 USB接口模塊、四個串口模塊及串口通信指示燈電路，電源模塊與USB轉四串口模塊、USB接口模塊、四個串口模塊及串口通信指示燈電路相連接為其供電，USB轉四串口模塊分別與 USB接口模塊和四個串口模塊相連接，USB接口模塊通過USB連接插件與計算機的USB 口相連接，四個串口模塊通過連接插件分別與四個串口設備相連接進行串行通信。USB轉四串口模塊將一個USB 口轉擴為四個串口，對USB 口和串口的輸入輸出進行了有效隔離，并對USB 口和串口的信號采取了靜電防護，使其非常適合用于船用設備之間的互聯(lián)。下面分別對各個模塊電路進行說明如圖2所示，USB轉四串口模塊采用基于FTDI公司的FT4232HL芯片，該芯片是 FTDI推出的第五代USB-to-UART/FIFO IC支持480Mbps USB 2. 0的高速規(guī)范，并可在各種工業(yè)標準的串行或并行接口下進行配置。FT4232HL芯片的內部功能模塊包括四個多功能 UART/MPSSE控制器、USB協(xié)議工具與FIFO控制、雙端口 FIFO TX緩存、雙端口 FIFO RX緩存、 復位發(fā)生器、獨立波特率發(fā)生器、1. 8V LDO穩(wěn)壓器、UTMI物理層以及EEPROM接口。在USB 轉串口連接器中，多功能UART/MPSSE控制器用來控制UART數據；USB協(xié)議工具與FIFO控制用來控制和管理UTMI物理層與芯片FIFO的接口，同時負責電源管理和USB協(xié)議規(guī)范；雙端口 FIFO TX緩存模塊存儲由主機發(fā)送到多功能UART/MPSSE控制器的數據；雙端口 FIFO RX緩存模塊存儲經由多功能UART/MPSSE控制器傳輸到主機的數據；復位發(fā)生器提供工作狀態(tài)下可靠地熱復位功能；獨立波特率發(fā)生器提供UART可調的數據傳輸速率；1. 8V LDO穩(wěn)壓器可將3. 3V電壓轉換為1. 8V電壓；UTMI物理層負責USB TX/RX數據的全速和高速功能， 同時為芯片其他部分提供時鐘；EEPROM接口提供與外接EEPROM接口，從而完成對USB進行配置。在USB轉四串口連接器中，USB接口模塊通過FT4232HL的UTMI物理層模塊上的管腳 USBDP與USBDM實現與FT4232HL相連，串口模塊通過FT4232HL的四個MPSSE/多功能UART/ bit-bang控制器上的八個接口實現互聯(lián)，從而實現USB轉串口的功能。USB轉四串口模塊在使用時，需要對FT4232HL的接地、復位等管腳進行處理，如圖3所示，需要對芯片FT4232HL 的各個接電源管腳進行退耦處理，在本實施例中，分別采用容值為IOOnF的電容C34-C40來實現。該芯片的第6管腳為電流參考點，經由1ΙΩ的電阻接地；第14管腳為復位管腳，低電位有效，這里不對其進行復位操作，因此將其接高電平。將該芯片配置為串口輸出時傳輸速率為12Mbit/s，因此需要接一個12MHz的晶振，通過管腳2、3連接。為了保持晶振工作的穩(wěn)定性，需要在晶振兩端接兩個退耦電容C12、C15，其容值為27pF。此外，需將該芯片的各個接地管腳有效接地。如圖4及圖5所示，電源模塊主要為USB轉四串口模塊、USB接口模塊、四個串口模塊及串口通信指示燈電路供電，提供的電源包括3. 3V和5V，其中(1) USB轉四串口模塊 FT4232HL需要兩種供電電壓3. 3V和1. 8V，1. 8V電壓主要給芯片核心進行供電；3. 3V電壓主要給1/0接口、內部物理層PLL、內部USB物理層PLL供電，由于該芯片自帶3. 3V轉1. 8V 穩(wěn)壓器，因此只需對其提供3. 3V的電壓；(2)串口模塊MAX3535EEWI所需電壓為3. 3V ； (3) USB接口模塊ADuM4160芯片所需電壓為5V和3. 3V ； (4)串口通信指示燈電路SN4HCT595D 所需供電電壓為3. 3V，由于USB接口能提供5V的電壓供電，因此只需外接一個5V轉3. 3V 的穩(wěn)壓器即可以滿足設計的需求，為了獲得3. 3V的供電電壓，采用AMS1117-3. 3DC/DC模塊進行電壓轉換，該DC/DC模塊具有成本低，性能穩(wěn)定等特點。如圖4所示，USB接口提供的 5V電源連接到USB接口模塊(ADuM4160)和穩(wěn)壓器(AMS1117-3. 3DC/DC模塊)上，穩(wěn)壓器輸出的3. 3V電源連接到USB轉四串口模塊(FT4232HL芯片)、USB接口模塊(ADuM4160)、四個串口模塊及串口通信指示燈電路上，USB轉四串口模塊(FT4232HL芯片)內置穩(wěn)壓器將3.3V電源轉換為1.8V電源。電源模塊的電路，如圖5所示，由于FT4232HL芯片內部物理層PLL以及內部USB物理層3. 3V供電不能直接與芯片FT4232HL相應管腳直接互連，通常需要經過LC濾波器進行連接，以保證電路的穩(wěn)定，FT4232HL芯片內置穩(wěn)壓器的1. 8V輸出端需與大地通過容值為+4. 7uF與IOOnF的電容的并聯(lián)電路實現互聯(lián)，而C7與ClO實現 1.8V電源節(jié)點退耦作用。在電源模塊電路中，還包括一個電源指示燈，該指示燈采用發(fā)光二極管Dl并安裝在穩(wěn)壓器(AMS1117-3. 3DC/DC模塊)的輸出端上，用來指示電源正常供電的狀態(tài)，即設備的上電狀態(tài)。如圖6所示，USB接口模塊主要是完成USB接插件與主芯片FT4232HL的連接， 該USB接口模塊采用芯片NUP4202對USB接插件的兩路差分信號進行靜電保護，采用芯片 ACM3225對差分信號的共模干擾進行有效抑制；采用ADuM4160USB數字隔離器對USB差分信號的輸入輸出進行隔離，從而達到降低電磁輻射的目的，該ADUM4160是一款基于ADI公司iCoupler技術的USB端口隔離器，它將高速CMOS工藝與單片空芯變壓器技術相結合，可提供優(yōu)異的工作性能，并且很容易與低速和全速USB兼容集成。如圖7所示，每路串口模塊均采用基于RS-422接口協(xié)議芯片MAX3535EEWI。該芯片MAX3535EEWI具有全雙工工作模式，其采用HBM，具有士 15KV的靜電防護；并采用單片高壓電容提供2500Vrms隔離保護。該芯片的供電電壓為3. 3V，與主芯片FT4232HL的供電電壓一致，因此不需要增加穩(wěn)壓器模塊。在出口模塊的電路中，四個串口的接地是分開的， MAX3535EEWI輸入端供電由電源直接提供，而輸出端供電通過采用變壓器TGM-240從輸入端獲得，該變壓器的隔離度2000VfflS。如圖8所示，串口通信指示燈電路主要用于顯示每個串口的工作狀態(tài)，采用8個 LED燈進行數據傳輸指示四個紅色的燈分別顯示四個串口的數據輸出狀態(tài)；四個綠色的燈分別顯示數據的輸入狀態(tài)，當紅燈或綠色亮時，表示對應的串口有數據輸出或輸入。串口通信指示燈電路主要基于SN74HCT595D進行設計，該SN74HCT595D為8比特串行輸入，8比特串行或并行輸出的移位寄存器，通過其并口輸出信號來驅動LED燈顯示，如串口 1有信號輸入，則D2亮；若有信號輸出，則D3亮。本實用新型在使用時，將連接器的USB接口與主機連接，將串口與相應的串口設備相連接，此時，電源指示燈亮。以串口 1為例進行說明，如果主機通過USB轉四串口連接器向另一設備傳輸數據，信號從USB 口的管腳2、3輸出，分別到達FT4232HL的管腳7、8， 經過FT4232HL的處理，從管腳16輸出，并用管腳36對輸出控制信號進行控制，而后經由 MAX3535EEWI管腳25輸入到MAX3535EEWI，通過該芯片管腳12、13輸出到接線端子，最后通過接線端子將信息傳輸到接收設備；若是其他設備向主機發(fā)送信息，則發(fā)送設備將信息通過接線端子到達MAX3535EEWI管腳15、16，經由該芯片的管腳28到達FT4232HL的管腳17， 將信息輸入到FT4232HL，而后通過FT4232HL的處理經其管腳7、8輸出到USB接口管腳2、 3，最后完成發(fā)送設備到主機的信息傳輸。在串口有數據輸入或輸出時，相應的工作指示燈需要強調的是，本實用新型所述的實施例是說明性的，而不是限定性的，因此本實用新型并不限于具體實施方式
中所述的實施例，凡是由本領域技術人員根據本實用新型的技術方案得出的其他實施方式，同樣屬于本實用新型保護的范圍。
權利要求1.一種船用USB轉四串口連接器，其特征在于包括USB轉四串口模塊、電源模塊、USB 接口模塊和四個串口模塊，電源模塊與USB轉四串口模塊、USB接口模塊、四個串口模塊相連接為其供電，USB轉四串口模塊分別與USB接口模塊和四個串口模塊相連接，USB接口模塊與計算機的USB 口相連接，四個串口模塊分別與四個串口設備相連接。
2.根據權利要求1所述的船用USB轉四串口連接器，其特征在于所述的USB轉四串口模塊采用FT4232HL芯片。
3.根據權利要求1所述的船用USB轉四串口連接器，其特征在于所述的USB接口模塊采用ADuM4160對輸入USB總線兩個差分信號有效進行隔離，采用NUP4202對USB總線差分信號進行靜電防護。
4.根據權利要求1所述的船用USB轉四串口連接器，其特征在于所述的串口模塊采用MAX3535EEWI完成RS-422串口協(xié)議、輸入輸出端口的電源、信號隔離及對信號進行靜電防護。
5.根據權利要求1至4任一項所述的船用USB轉四串口連接器，其特征在于所述的 USB接口模塊與計算機的USB 口通過USB連接插件相連接，四個串口模塊分別與四個串口設備通過串口連接插件相連接。
6.根據權利要求5任一項所述的船用USB轉四串口連接器，其特征在于所述的USB轉四串口模塊還連接一串口通信指示燈電路，該串口通信指示燈電路設有指示四個串口數據收發(fā)狀態(tài)的發(fā)光二極管。
7.根據權利要求6所述的船用USB轉四串口連接器，其特征在于所述的串口通信指示燈電路采用SN74HCT595D芯片的串行輸出端信號驅動發(fā)光二極管。
8.根據權利要求5所述的船用USB轉四串口連接器，其特征在于所述的電源模塊還包括電源指示燈。
專利摘要本實用新型涉及一種船用USB轉四串口連接器，其主要技術特點是包括USB轉四串口模塊、電源模塊、USB接口模塊和四個串口模塊，電源模塊與USB轉四串口模塊、USB接口模塊、四個串口模塊相連接為其供電，USB轉四串口模塊分別與USB接口模塊和四個串口模塊相連接，USB接口模塊與計算機的USB口相連接，四個串口模塊分別與四個串口設備相連接。本實用新型設計合理，實現了將一個USB接口擴展為四個串口，解決了船用設備主機中USB總線接口富裕、串口不足的問題，滿足了串口船用設備互聯(lián)的需求，具有高隔離度、具有優(yōu)良電磁兼容性的特點。
文檔編號G06F13/40GK202267961SQ201120373830
公開日2012年6月6日 申請日期2011年9月29日 優(yōu)先權日2011年9月29日
發(fā)明者傅金琳, 周喆, 趙娜, 趙子陽, 陳偉 申請人:中國船舶重工集團公司第七0七研究所