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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Convertitori di interfaccia USB basati su chip FT8U232AM, FT8U245AM. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Компьютеры La possibilità di collegare dispositivi USB a un computer non sorprenderà nessuno al giorno d'oggi. Rispetto alle tradizionali porte I/O dei computer (seriale - COM, parallela - LPT), l'Universal Serial Bus fornisce velocità di scambio dati più elevate. La larghezza di banda massima della versione USB 1.1 è di 12 Mbit/s, la versione più moderna 2.0 è di 480 Mbit/s. Per i dispositivi a bassa velocità, la velocità è 1,5 Mbps. Tuttavia, il protocollo di scambio dati USB è complesso e fino a poco tempo fa era fuori dalla portata non solo dei radioamatori, ma anche di molti specialisti. Oggi, installando il microcircuito FT8U232AM o FT8U245AM nel dispositivo in fase di sviluppo, è possibile convertire l'USB in una porta seriale o parallela “virtuale” ed effettuare uno scambio di dati ad alta velocità utilizzando i soliti metodi ben noti, senza tener conto di molti dei problemi caratteristiche del funzionamento USB. Collegare il computer alle periferiche tramite USB è molto semplice. È consentito agganciare e sganciare i connettori senza spegnere il computer; il riconoscimento automatico del dispositivo viene fornito immediatamente dopo averlo collegato, seguito dall'installazione dei driver necessari. La topologia a bus ramificato (Fig. 1) prevede l’utilizzo di concentratori, più spesso chiamati “hub”.
L'unità del sistema informatico dispone di un root hub, dotato di due o quattro prese USB, al quale si collegano direttamente o tramite hub le periferiche. A volte gli stessi dispositivi USB (il più delle volte un monitor e una tastiera) sono dotati di hub integrati; in altri casi, per diramare il bus vengono utilizzati hub progettati come prodotti indipendenti. Un esempio di collegamento di un normale set di periferiche USB a un computer è mostrato in Fig. 2. Il loro numero totale può raggiungere 127, più che sufficiente per tutte le applicazioni immaginabili. Fino a poco tempo fa, poteva esserci solo un "master" (host) di questa rete (a differenza di una normale rete locale): il computer stesso. Tuttavia, un'aggiunta allo standard USB 2001 pubblicata alla fine del 1.0 con il nome OTG 2.0 ha consentito ai dispositivi periferici di eseguire alcune funzioni host. Ciò consentirà, ad esempio, di collegare uno scanner USB direttamente a una stampante USB, bypassando il computer.
A ogni computer collegato a un dispositivo USB viene assegnato un numero identificativo univoco dal sistema operativo del computer, necessario per la configurazione, la gestione e lo scambio di dati del sistema. Le sessioni di comunicazione avvengono in modalità batch. Tutti i componenti di una rete USB sono collegati tramite cavi costituiti da due coppie di fili intrecciati. Uno di essi trasporta lo scambio dati bidirezionale, l'altro trasporta una tensione costante di 5 V, in modo che le periferiche economiche non debbano contenere la propria alimentazione di corrente. I cavi USB hanno due tipi di connettori incompatibili: A - sul lato rivolto verso il computer e B - sul lato rivolto verso la periferica. Ciò impedisce una connessione errata. Secondo l'aggiunta OTG 1.0 sopra menzionata, sono stati introdotti altri due tipi di connettori di dimensioni ridotte: mini-A e mini-B, oltre a una presa universale mini-AB, compatibile con spine di entrambi i tipi. Tutti i connettori USB sono progettati per essere collegati e scollegati rapidamente e facilmente. L'ambito dell'USB non è limitato alle applicazioni multimediali. Questa interfaccia ad alta velocità, progettata per servire un gran numero di dispositivi, è utile per le apparecchiature di comunicazione, raccolta e archiviazione di informazioni, che sono tradizionalmente collegate alle porte COM e LPT dei computer. Sfortunatamente, sostituire l'interfaccia in un dispositivo esistente è piuttosto difficile. Un modo per risolvere il problema è utilizzare convertitori di varie interfacce USB. Sul mercato russo compaiono già dispositivi simili basati sui chip dell'azienda inglese FTDI (Future Technology Devices International). L'azienda attualmente produce tre chip multifunzionali: FT8U100AX, FT8U232AM e FT8U245AM. Il primo consente di creare un hub USB a sette porte. Gli altri due (il loro aspetto e l'assegnazione dei pin sono mostrati in Fig. 3) sono destinati all'accoppiamento di vari dispositivi con il bus USB. Le dimensioni della custodia del QFP-32 sono 7x7 mm, il passo dei perni è 0,8 mm.
FT8U232AM - un convertitore da USB a interfaccia seriale tradizionale - può essere installato in modem USB, adattatori COM-USB, lettori di codici a barre, apparecchiature di misurazione - di fatto, in tutti i dispositivi che in precedenza utilizzavano RS-232, RS-422, RS-485 relativamente lenti interfacce. È in grado di trasmettere dati in entrambe le direzioni a velocità fino a 2000 kbps e all'utente non è richiesta alcuna conoscenza del dispositivo e del funzionamento dell'USB. I driver software forniti da FTDI creano l'impressione che lo scambio avvenga tramite una normale porta COM. Lo schema funzionale dell'FT8U232AM è mostrato in Fig. 4. La sua base sono i ricetrasmettitori di entrambe le interfacce. Il blocco UART è dotato di un set completo di circuiti di segnale dello standard RS-232, il ricetrasmettitore USB è dotato di soli due pin di informazione USBDP e USBDM, che formano un canale di trasmissione dati bidirezionale. Il blocco SIE converte il codice seriale in parallelo e viceversa, esegue procedure di bitstaffing, genera (per il flusso di dati in uscita) e controlla (per quello in entrata) codici di controllo.
Il gestore del protocollo USB di livello inferiore genera risposte alle richieste dal controller host (computer). Attraverso di esso viene controllata anche la modalità operativa dell'UART. Sono presenti due buffer per la memorizzazione intermedia (FIFO) con una capacità di 384 byte (per la ricezione) e 128 byte (per la trasmissione). La gestione FIFO è assegnata al controller corrispondente. L'oscillatore principale del microcircuito funziona da un risonatore esterno al quarzo o ceramico a 6 MHz. Successivamente, la sua frequenza viene moltiplicata per 8 (fino a 48 MHz). La frequenza dell'orologio UART si ottiene da 48 MHz in due passaggi: dividendo per 16, quindi al valore desiderato utilizzando un divisore programmabile. Il controller UART può funzionare a velocità da 300 Baud a 2 MBod, ma la velocità massima effettiva raggiungibile dipende dal chip convertitore del livello del segnale di interfaccia utilizzato insieme all'FT8U232AM. I pin EECS, EESK, EEDATA del chip FT8U232AM sono progettati per collegare la memoria non volatile esterna: il chip EEPROM AT93C46, che memorizza gli identificatori del produttore (VID) e il numero di serie personale (PID) del prodotto e altri dati. Ciò è necessario se più dispositivi su chip FT8U232AM sono collegati contemporaneamente al computer tramite USB. Il numero di serie è particolarmente importante, poiché il driver del software fa affidamento sulla sua unicità, associando l'una o l'altra porta COM virtuale a un dispositivo specifico. Se non è presente alcuna ROM, è possibile collegare un solo dispositivo al computer, formando una porta COM virtuale. Un livello basso sull'ingresso RESET riporta il chip FT8U232AM al suo stato iniziale. Al pin RCCLK è necessario collegare un circuito RC, che ritarda l'avvio del funzionamento del microcircuito per un tempo sufficiente a “pilotare” il risuonatore al quarzo collegato ai pin XTIN, XTOUT. L'ingresso TEST viene utilizzato solo in modalità debug. Durante il normale funzionamento, deve essere collegato a terra (GND). Sono presenti diverse uscite ausiliarie. Un livello alto sull'uscita USBEN segnala il completamento del processo di inizializzazione del microcircuito tramite USB. Se per un certo periodo non avviene alcuno scambio di dati, il chip entra automaticamente in modalità di sospensione, come evidenziato dal livello basso sull'uscita SLEEP. Livelli simili sulle uscite TXLED e RXLED indicano rispettivamente che i dati vengono trasmessi o ricevuti. Il segnale proveniente dall'uscita TXDEN è destinato a controllare il ricetrasmettitore RS-485. Il suo livello è alto quando i dati vengono trasmessi tramite la linea TXD. La tensione di alimentazione del microcircuito FT8U232AM (VCC) è 4,4...5,25 V, il consumo di corrente non è superiore a 50 mA in modalità operativa e 250 μA in modalità sospensione. Se il microcircuito è alimentato dalla tensione fornita tramite USB, il suo pin 14 (PWRCTL) deve essere collegato al filo comune (GND), se il dispositivo dispone di un proprio alimentatore, al circuito VCC. Le uscite logiche del microcircuito sono progettate per correnti fino a 4 mA (in uscita) e fino a 8 mA (in entrata). Il chip FT8U245AM consente di organizzare lo scambio di dati tra una periferica e un computer a velocità fino a 1 Mbit/s. Può essere utilizzato nei modem ISDN e ADSL, nelle fotocamere digitali e nei lettori MP8 e negli strumenti di misurazione. A differenza dell'FT245U0AM, non contiene un blocco UART, emette i dati ricevuti tramite USB da un buffer (FIFO) o li riceve lì tramite un bus dati bidirezionale parallelo a otto bit (D7 - DXNUMX). Questo chip si interfaccia comodamente con qualsiasi microprocessore e microcontrollore utilizzando i canali di accesso diretto alla memoria (DMA) o le porte I/O. I grafici temporali per la lettura e la scrittura di un byte sono mostrati in fig. 5.
La presenza di dati ricevuti tramite USB (la dimensione del buffer di ricezione è 128 byte) è indicata da un livello basso del segnale RXF. I dati vengono letti finché il buffer non è vuoto e il livello RXF diventa alto. Dopo che tutti i 384 byte del buffer di trasmissione sono stati riempiti, il livello del segnale TXE rimane alto e il chip smette di accettare nuovi dati finché il contenuto del buffer non viene inviato tramite US B al computer. Per non ritardare lo scambio è previsto un timer da 16 ms. Se durante questo intervallo il buffer di trasmissione non viene riempito completamente e non vengono ricevuti nuovi dati, il contenuto del buffer viene inviato automaticamente al computer. Il chip FT8U232AM ha una proprietà simile. Per gli sviluppatori hardware che padroneggiano i microcircuiti FT8U232AM e FT8U245AM, GIGATECHNO-LOGY offre moduli di debug, uno dei quali è mostrato in Fig. 6.
Oltre al microcircuito, la scheda contiene tutti gli elementi passivi necessari per il suo funzionamento, un risonatore al quarzo e una presa USB di tipo B. Il modulo è installato in un pannello DIP “largo” standard a 32 pin. Il modulo è alimentato tramite USB, il che elimina la necessità di una fonte aggiuntiva. Lo schema del convertitore di interfaccia USB-RS-232 completato è mostrato in Fig. 7. Con il suo aiuto, molti dispositivi dotati di interfaccia RS-232 possono essere collegati a un computer tramite USB. Il convertitore si collega ad un computer (o hub) tramite una spina USB di tipo A (CN1) dotata di un cavo di collegamento lungo 1,5 m. Non aumentare la lunghezza oltre questa lunghezza, poiché ciò causerebbe malfunzionamenti dell'USB.
Il chip U3 FT8U232AM è collegato secondo il circuito standard consigliato dal produttore. Il nodo sul transistor Q1, al momento dell'alimentazione (collegando il convertitore alla rete USB), genera un impulso che riporta il chip U3 allo stato originale. La tensione di alimentazione viene fornita ai nodi del convertitore attraverso i filtri FB1 e FB2: cavi ordinari su cui sono posizionate rondelle di ferrite. Il circuito R5C10 crea un ritardo durante l'avvio del generatore sul risonatore Y1, che può essere utilizzato come HC49U importato, RK415 domestico, ecc. Se il risonatore è a due terminali e non contiene condensatori incorporati, per avviare in modo affidabile il generatore, potrebbe essere necessario installare condensatori esterni con una capacità di 10...20pF. Il chip U1 contiene ricevitori e trasmettitori di segnali di interfaccia conformi allo standard RS-232, nonché convertitori di tensione da 5 V a +10 e -10 V necessari per il loro funzionamento. Il chip SP213EHCA (Sipex) indicato nello schema fornisce velocità di scambio dati fino a 460 kBaud. Se è sufficiente una velocità di 115 kBaud, il chip specificato può essere sostituito con l'SP213ECA della stessa azienda, MAX213CAI (Maxim) o ADM213EARS (Analog Devices). Il microcircuito U1 93С46, come già accennato, è opzionale. Se decidi di installarlo, devi prima programmarlo utilizzando le raccomandazioni contenute nell'appendice alla descrizione del chip FT8U232AM. Questo documento e molte altre informazioni tecniche e di riferimento utili possono essere trovate sul sito web FTDI . L'aspetto del convertitore è mostrato in Fig. 8. La scheda circuitale si trova all'interno dell'alloggiamento della spina DB-9M.
Va notato che il pannello sviluppato, i cui disegni degli strati sono mostrati in Fig. 9, - quattro strati.
È progettato per l'installazione di elementi su entrambi i lati, inclusi resistori e condensatori di dimensione 0603 (1,6x0,8 mm) per montaggio superficiale (SMD). In condizioni amatoriali, tale tavola può essere composta da due bifacciali, incollate insieme tramite una guarnizione isolante. Tutta la documentazione necessaria per la produzione della scheda in fabbrica Se non è possibile utilizzare elementi SMD e realizzare una scheda multistrato, dovrai svilupparne una normale in modo indipendente per gli elementi standard. INSTALLAZIONE DEI DRIVER COM VIRTUALI Il driver della porta COM virtuale (VCP - Virtual COM Port) per qualsiasi sistema operativo di interesse è reperibile sul sito ufficiale FTDI nella sezione tematica Driver e Utilità. I driver VCP sono presentati in due versioni: per dispositivi collegati tramite un convertitore di interfaccia e tecnologia di supporto (Plug and Play PnP) e dispositivi simili senza tale supporto (Pop-PnP). Un errore nella selezione del driver porta ad un ritardo nel caricamento del sistema operativo di 20...30 s. La procedura per installare un driver VCP in Windows non è diversa dall'installazione di un driver per qualsiasi altro dispositivo. Tutti i file dell'archivio in cui viene fornito il driver devono essere copiati su un dischetto o in una cartella appositamente creata sul disco rigido. Successivamente, dopo aver collegato il convertitore di interfaccia (o un altro dispositivo basato sui chip FT8U232AM, FT8U245AM) all'USB, aprire la finestra “Aggiungi/Rimuovi hardware” e seguire le istruzioni della “Installazione guidata”. Per assicurarti che i driver siano installati correttamente, apri la scheda "Gestione dispositivi" nella finestra "Proprietà del sistema" e trova USB High Speed Serial Converter nell'elenco. Se non c'è nulla di simile, la procedura di installazione dovrebbe essere ripetuta di nuovo. Dopo aver installato con successo i driver, il dispositivo USB Serial port (COMx) apparirà nella voce USB High Speed Serial Converter, dove x è il numero della porta seriale virtuale. I parametri di base di COMx sono identici ai parametri e alle impostazioni di una porta seriale standard. È possibile modificare la velocità UART, il numero di bit per parola, la modalità di parità, la lunghezza del bit di stop e il metodo di controllo del flusso. L'unica differenza è la possibilità di selezionare o modificare il numero di porta x nella finestra "Impostazioni porta avanzate". Come strumento per programmare una porta COM virtuale per Windows 98, è possibile utilizzare la famiglia di funzioni API VCOMM standard. La documentazione e altre informazioni utili sul loro utilizzo sono contenute in MSDN (Microsoft Developer Network). FTDI offre un'altra soluzione che non richiede driver che emulino una porta seriale. L'architettura, chiamata D2XX dai suoi autori, è basata sulla tecnologia WDM. Il dispositivo è programmato tramite lo stack USB e la libreria di driver dinamici. Il sito Web dell'azienda contiene esempi di codice sorgente in alcuni linguaggi di programmazione popolari, nonché una guida alla programmazione, il Manuale dei programmatori D2XX. IMPOSTAZIONE BAUD RATE Le informazioni sui valori del coefficiente di divisione della frequenza dell'orologio mediante il divisore programmabile del chip FT8U245AM, necessarie per ottenere un particolare tasso di scambio dati, sono contenute nel file ftdiport.inf che accompagna il driver. Modificando questi valori, è possibile ottenere valori di velocità UART non standard. Tuttavia, più spesso devono essere modificati per tenere conto, ad esempio, della deviazione della frequenza del risonatore al quarzo dai 6 MHz nominali. Per calcolare il fattore di divisione richiesto, il numero metà della frequenza del cristallo (Hz) viene diviso per la velocità di trasmissione richiesta (Baud). Il quoziente viene arrotondato al numero più vicino con parte frazionaria 0,125, 0,25, 0,5 o ad un numero intero. Il valore risultante deve essere convertito in codice binario a 16 bit. La parte intera del coefficiente viene inserita nei 14 bit di ordine basso del codice (D0-D13) e la parte frazionaria in quelli di ordine alto (D14, D15) secondo la tabella. Questo codice viene quindi convertito in un numero esadecimale a due byte.
Lavorando su un sistema Windows 98, nella sezione [FtdiPort232.HW.AddReg] del file ftdiport.inf menzionato sopra, trovare la riga 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 Si prega di notare che è condizionatamente suddiviso in più righe e deve essere scritto su un'unica riga nel file, senza spazi. Per comodità i valori dei coefficienti modificabili sono evidenziati alternativamente in grassetto e corsivo. Non sono consentite selezioni nel file. Il byte basso di ciascun coefficiente viene scritto per primo, seguito dal byte alto. Ad esempio, la sequenza E2,04 corrisponde al numero 4E2H. Dopo aver apportato le modifiche necessarie, il file originale viene sostituito con il file modificato. Lavorando in Windows 2000, modificare in modo simile la stessa riga nella sezione [FtdiPort232.NT.HW.AddReg] dello stesso file. Autori: A. Lysenko, R. Nazmutdinov, I. Malygin, Ekaterinburg
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