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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Convertisseurs d'interface USB basés sur les puces FT8U232AM, FT8U245AM. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / ordinateurs Désormais, vous ne surprendrez personne avec la possibilité de connecter des périphériques USB à un ordinateur. Par rapport aux ports d'E / S informatiques traditionnels (série - COM, parallèle - LPT), le bus série universel (Universal Serial Bus) offre un taux d'échange de données plus élevé. Le débit maximal de la version USB 1.1 est de 12 Mbps, la version 2.0 la plus récente est de 480 Mbps. Pour les appareils à faible vitesse, une vitesse de 1,5 Mbps est fournie. Cependant, le protocole d'échange de données USB est compliqué et jusqu'à récemment, il n'était pas possible de le mettre en œuvre non seulement pour les radioamateurs, mais également pour de nombreux spécialistes. Aujourd'hui, en installant la puce FT8U232AM ou FT8U245AM dans l'appareil en cours de développement, vous pouvez convertir l'USB en un port série ou parallèle "virtuel" et effectuer un échange de données à haut débit en utilisant des méthodes bien connues et familières, sans prendre en compte de nombreuses fonctionnalités du fonctionnement USB. Connecter votre ordinateur à des périphériques via USB est très facile. Il est permis d'ancrer et de déconnecter les connecteurs sans éteindre l'ordinateur, la reconnaissance automatique de l'appareil est fournie immédiatement après sa connexion, suivie de l'installation des pilotes nécessaires. La topologie en bus ramifié (Fig. 1) implique l'utilisation de hubs, souvent appelés « hubs » (hub en anglais).
L'unité centrale de l'ordinateur dispose d'un concentrateur racine (hub racine), équipé de deux ou quatre prises USB, auxquelles des périphériques sont connectés directement ou via des concentrateurs. Parfois, les périphériques USB eux-mêmes (le plus souvent un moniteur et un clavier) sont équipés de concentrateurs intégrés, dans d'autres cas, des concentrateurs conçus comme des produits indépendants sont utilisés pour brancher le bus. Un exemple de connexion d'un ensemble conventionnel de périphériques USB à un ordinateur est illustré à la fig. 2. Leur nombre total peut atteindre 127 - plus que suffisant pour toutes les applications imaginables. Jusqu'à récemment, le "hôte" (hôte) de ce réseau (contrairement au local habituel) ne pouvait être qu'un seul - l'ordinateur lui-même. Cependant, un ajout à la norme USB 2001 publiée fin 1.0 sous le nom d'OTG 2.0 permettait aux périphériques d'effectuer certaines fonctions d'accueil. Cela permettra, par exemple, de connecter un scanner USB directement à une imprimante USB, sans passer par l'ordinateur.
Chaque périphérique USB connecté se voit attribuer un numéro d'identification unique par le système d'exploitation de l'ordinateur, qui est nécessaire pour la configuration, la gestion et la communication du système. Les sessions de communication se déroulent en mode batch. Tous les composants du réseau USB sont connectés à l'aide de câbles constitués de deux paires de fils torsadés. Sur l'un d'eux, il y a un échange de données bidirectionnel, de l'autre - une tension constante de 5 V, en raison de laquelle les périphériques économiques peuvent ne pas contenir leurs propres alimentations. Les câbles USB ont deux types de connecteurs incompatibles : A du côté faisant face à l'ordinateur et B du côté faisant face au périphérique. Cela évite les connexions erronées. Selon l'ajout OTG 1.0 mentionné ci-dessus, deux autres types de connecteurs de dimensions réduites ont été introduits : mini-A et mini-B, ainsi qu'une prise universelle mini-AB compatible avec les deux types de prises. Tous les connecteurs USB sont conçus pour être branchés et débranchés rapidement et facilement à plusieurs reprises. La portée de l'USB ne se limite pas aux applications multimédias. Cette interface haut débit, conçue pour desservir un grand nombre d'appareils, est pratique pour les équipements de communication, de collecte et de stockage d'informations, qui sont traditionnellement connectés aux ports COM et LPT des ordinateurs. Malheureusement, le remplacement d'une interface dans un appareil existant est assez difficile. Une façon de résoudre le problème consiste à utiliser des convertisseurs de diverses interfaces vers USB. Des appareils similaires basés sur des puces de la société anglaise FTDI (Future Technology Devices International) font déjà leur apparition sur le marché russe. La société produit actuellement trois puces multifonctionnelles : FT8U100AX, FT8U232AM et FT8U245AM. Le premier d'entre eux vous permet de créer un concentrateur USB à sept ports. Les deux autres (leur apparence et leurs affectations de broches sont illustrées à la Fig. 3) sont conçues pour interfacer divers périphériques avec le bus USB. Les dimensions du boîtier QFP-32 sont de 7x7 mm, le pas des broches est de 0,8 mm.
FT8U232AM - Convertisseur d'interface USB vers série traditionnelle - peut être installé dans des modems USB, des adaptateurs COM-USB, des lecteurs de codes-barres, des équipements de mesure - en fait, dans tous les appareils qui utilisaient auparavant des interfaces RS-232, RS-422, RS-485 relativement lentes. Il est capable de transmettre des données dans les deux sens à des vitesses allant jusqu'à 2000 kbps, et l'utilisateur n'a besoin d'aucune connaissance sur l'appareil et le fonctionnement de l'USB. Les pilotes logiciels fournis par FTDI donnent l'impression que la communication passe par un port COM normal. le schéma fonctionnel du FT8U232AM est illustré à la fig. 4. Sa base est constituée des émetteurs-récepteurs des deux interfaces. Le bloc UART est équipé d'un ensemble complet de circuits de signal de la norme RS-232, l'émetteur-récepteur USB - avec seulement deux sorties d'informations USBDP et USBDM, formant un canal de transfert de données bidirectionnel. Le bloc SIE convertit le code série en parallèle et vice versa, exécute les procédures de bittaffing, génère (pour le flux de données sortant) et vérifie (pour le flux entrant) les codes de contrôle.
Le gestionnaire de protocole USB de bas niveau génère des réponses aux demandes du contrôleur hôte (ordinateur). Grâce à lui, ils contrôlent le mode de fonctionnement de l'UART. Il existe deux tampons de stockage de données intermédiaires (FIFO) d'une capacité de 384 octets (pour la réception) et de 128 octets (pour la transmission). Le FIFO est géré par le contrôleur approprié. L'oscillateur maître du microcircuit est alimenté par un résonateur externe à quartz ou céramique à 6 MHz. De plus, sa fréquence est multipliée par 8 (jusqu'à 48 MHz). L'horloge UART est obtenue à partir de 48 MHz en deux étapes : en divisant par 16, puis à la valeur désirée à l'aide d'un diviseur programmable. Le contrôleur UART peut fonctionner à des vitesses allant de 300 bauds à 2 Mbauds, mais la vitesse maximale réelle réalisable dépend du circuit intégré de convertisseur de niveau utilisé avec le FT8U232AM. Les broches EECS, EESK, EEDATA de la puce FT8U232AM sont conçues pour connecter une mémoire non volatile externe - la puce EEPROM AT93C46, qui stocke les identifiants du fabricant (VID) et le numéro de série personnel (PID) du produit et d'autres données. Cela est nécessaire si plusieurs appareils basés sur des puces FT8U232AM sont connectés simultanément à l'ordinateur via USB. Le numéro de série est particulièrement important, car le pilote logiciel s'appuie sur son unicité, associant l'un ou l'autre port COM virtuel à un périphérique spécifique. S'il n'y a pas de ROM, un seul périphérique formant un port COM virtuel peut être connecté à l'ordinateur. Un niveau bas à l'entrée RESET provoque la réinitialisation de la puce FT8U232AM. Un circuit RC doit être connecté à la broche RCCLK, ce qui retarde le démarrage du microcircuit pendant un temps suffisant pour "constituer" le résonateur à quartz connecté aux broches XTIN, XTOUT. L'entrée TEST n'est utilisée qu'en mode débogage. En fonctionnement normal, il doit être relié à la masse (GND). Il existe plusieurs sorties auxiliaires. Un niveau haut à la sortie USBEN signale l'achèvement du processus d'initialisation du microcircuit via USB. S'il n'y a pas d'échange de données pendant un certain temps, le microcircuit passe automatiquement en "mode veille", comme en témoigne le niveau bas à la sortie SLEEP. Des niveaux similaires aux sorties TXLED et RXLED indiquent que des données sont transmises ou reçues, respectivement. Le signal de la sortie TXDEN est conçu pour contrôler l'émetteur-récepteur de l'interface RS-485. Son niveau est haut lorsque des données sont transmises sur la ligne TXD. La tension d'alimentation du microcircuit FT8U232AM (VCC) est de 4,4 ... 5,25 V, la consommation de courant ne dépasse pas 50 mA en fonctionnement et 250 μA en mode veille. Si le microcircuit est alimenté par une tension fournie via USB, sa broche 14 (PWRCTL) doit être connectée à la masse (GND), si l'appareil dispose de sa propre alimentation - au circuit VCC. Les sorties logiques du microcircuit sont conçues pour un courant jusqu'à 4 mA (sortie) et jusqu'à 8 mA (entrée). La puce FT8U245AM vous permet d'organiser l'échange de données entre un périphérique et un ordinateur à une vitesse allant jusqu'à 1 Mbps. Il peut être utilisé dans les modems RNIS et ADSL, dans les appareils photo numériques et les lecteurs MP8, dans les équipements de mesure. Contrairement au FT245U0AM, il ne contient pas de bloc UART, émettant des données reçues via USB à partir d'un tampon (FIFO) ou les y recevant via un bus de données bidirectionnel parallèle à huit bits (D7 - DXNUMX). Cette puce s'interface facilement avec tous les microprocesseurs et microcontrôleurs utilisant leurs canaux d'accès direct à la mémoire (DMA) ou leurs ports d'E/S. Les chronogrammes de lecture et d'écriture d'un octet sont illustrés à la fig. 5.
La présence de données reçues via USB (la taille du tampon de réception est de 128 octets) est indiquée par le niveau bas du signal RXF. Les données sont lues jusqu'à ce que la mémoire tampon soit vide et que RXF soit élevé. Après avoir rempli les 384 octets du tampon de transmission, le signal TXE reste élevé et le microcircuit cesse d'accepter de nouvelles données jusqu'à ce que le contenu du tampon soit transféré via US B à l'ordinateur. Afin de ne pas retarder l'échange, une temporisation de 16 ms est prévue. Si le tampon d'envoi n'est pas plein dans cet intervalle et qu'aucune nouvelle donnée n'arrive, le contenu du tampon est automatiquement envoyé à l'ordinateur. La puce FT8U232AM a une propriété similaire. Pour les développeurs de matériel qui maîtrisent les puces FT8U232AM et FT8U245AM, GIGATECHNO-LOGY propose des modules de débogage, dont l'un est illustré à la fig. 6.
En plus du microcircuit, la carte possède tous les éléments passifs nécessaires à son fonctionnement, un résonateur à quartz et une prise USB de type B. Le module est installé dans un panneau DIP "large" standard à 32 broches. Le module est alimenté par USB, ce qui élimine le besoin d'une source supplémentaire. Le schéma du convertisseur d'interface USB-RS-232 terminé est illustré à la fig. 7. Avec lui, de nombreux appareils équipés d'une interface RS-232 peuvent être connectés à un ordinateur via USB. Le convertisseur est connecté à un ordinateur (ou concentrateur) à l'aide d'une prise USB de type A (CN1), équipée d'un câble de connexion de 1,5 m. N'augmentez pas la longueur au-delà de celle spécifiée, sinon l'USB ne fonctionnera pas correctement.
La puce U3 FT8U232AM est connectée selon le schéma standard recommandé par le fabricant. Le nœud sur le transistor Q1 au moment de l'alimentation (reliant le convertisseur au réseau USB) génère une impulsion qui réinitialise la puce U3. La tension d'alimentation est fournie aux nœuds du convertisseur via les filtres FB1 et FB2 - des fils ordinaires avec des rondelles de ferrite placées dessus. Le circuit R5C10 crée un retard pour le démarrage du générateur sur le résonateur Y1, qui peut être utilisé comme HC49U importé, PK415 domestique, etc. Si le résonateur est à deux bornes et ne contient pas de condensateurs intégrés, il peut être nécessaire d'installer des condensateurs externes d'une capacité de 10 ... 20pF pour démarrer le générateur de manière fiable. La puce U1 contient des récepteurs et des émetteurs de signaux d'interface conformes à la norme RS-232, ainsi que des convertisseurs de tension 5 V à +10 et -10 V, nécessaires à leur fonctionnement. La puce SP213EHCA (Sipex) illustrée dans le schéma fournit un taux d'échange de données allant jusqu'à 460 kbauds. Si 115 kbauds sont suffisants, la puce spécifiée peut être remplacée par la SP213ECA de la même société, MAX213CAI (Maxim) ou ADM213EARS (Analog Devices). La puce U1 93C46, comme déjà mentionné, n'est pas nécessaire. Si vous décidez de l'installer, vous devez d'abord le programmer en suivant les recommandations en annexe à la description de la puce FT8U232AM. Ce document et de nombreuses autres informations techniques et de référence utiles sont disponibles sur le site Web de FTDI. . L'apparence du convertisseur est illustrée à la fig. 8. Son circuit imprimé est logé à l'intérieur du boîtier de la prise DB-9M.
Il convient de noter que la carte développée, dont les dessins des couches sont illustrés à la Fig. 9, - quatre couches.
Il est conçu pour l'installation d'éléments des deux côtés, y compris des résistances et des condensateurs de taille 0603 (1,6x0,8 mm) pour montage en surface (SMD). Dans des conditions amateurs, une telle carte peut être constituée de deux cartes double face collées ensemble à travers un joint isolant. Toute la documentation nécessaire à la fabrication de la planche en usine S'il n'est pas possible d'utiliser des éléments SMD et de créer une carte multicouche, vous devrez en développer indépendamment une régulière pour les éléments standard. INSTALLATION DES PILOTES COM VIRTUELS Le pilote de port COM virtuel (VCP - Port COM virtuel) pour tout système d'exploitation d'intérêt peut être trouvé sur le site Web officiel de FTDI dans la rubrique Pilotes et utilitaires. Les pilotes VCP sont disponibles en deux versions : pour les appareils connectés via un convertisseur d'interface et prenant en charge la technologie (Plug and Play PnP), et les appareils similaires sans un tel support (Pop-PnP). Une erreur dans le choix d'un pilote entraîne un retard de chargement du système d'exploitation de 20...30 s. La procédure d'installation d'un pilote VCP sous Windows n'est pas différente de l'installation d'un pilote pour tout autre périphérique. Tous les fichiers de l'archive dans laquelle le pilote est fourni doivent être copiés sur une disquette ou dans un dossier spécialement créé sur le disque dur. Ensuite, après avoir connecté un convertisseur d'interface (ou un autre appareil basé sur des puces FT8U232AM, FT8U245AM) à l'USB, ouvrez la fenêtre "Ajout/Suppression de matériel" et suivez les instructions de "l'assistant d'installation". Pour vérifier que les pilotes ont été installés avec succès, ouvrez l'onglet "Gestionnaire de périphériques" dans la fenêtre "Propriétés système" et recherchez USB High Speed Serial Converter dans la liste. S'il n'y a rien de similaire, la procédure d'installation doit être répétée à nouveau. Après une installation réussie des pilotes, le périphérique de port série USB (COMx) apparaîtra dans l'élément USB High Speed Serial Converter, où x est le numéro du port série virtuel. Les paramètres de base de COMx sont identiques aux paramètres et réglages d'un port série standard. Vous pouvez modifier la vitesse UART, le nombre de bits par mot, le mode de parité, la longueur du bit d'arrêt, la méthode de contrôle de flux. La seule différence est la possibilité de sélectionner ou de modifier le numéro de port x dans la fenêtre "Paramètres de port avancés". En tant qu'outil de programmation de port COM virtuel pour Windows 98, vous pouvez utiliser la famille de fonctions API VCOMM standard. La documentation et d'autres informations utiles sur leur utilisation sont contenues dans MSDN (Microsoft Developer Network). FTDI propose une autre solution qui ne nécessite pas de pilotes d'émulation série. L'architecture, appelée D2XX par ses auteurs, est basée sur la technologie WDM. L'appareil est programmé via la pile USB et la bibliothèque dynamique du pilote. Le site Web de la société contient des exemples de code source dans plusieurs langages de programmation populaires, ainsi que le manuel du programmeur D2XX. RÉGLAGE DU DÉBIT EN BAUDS Les informations sur les valeurs du facteur de division de fréquence d'horloge par le diviseur programmable de la puce FT8U245AM, qui sont nécessaires pour obtenir un taux d'échange de données particulier, sont contenues dans le fichier ftdiport.inf qui accompagne le pilote. En modifiant ces valeurs, vous pouvez atteindre des vitesses UART non standard. Cependant, le plus souvent, ils doivent être modifiés pour tenir compte, par exemple, de l'écart de fréquence du résonateur à quartz par rapport aux 6 MHz nominaux. Pour calculer le facteur de division souhaité, un nombre moitié de la fréquence du résonateur à quartz (Hz) est divisé par le débit en bauds requis (Baud). Le quotient est arrondi au nombre le plus proche avec une partie fractionnaire de 0,125, 0,25, 0,5 ou à un nombre entier. La valeur résultante doit être convertie en un code binaire 16 bits. Dans les 14 chiffres les moins significatifs du code (D0-D13), la partie entière du coefficient est entrée, et dans les chiffres supérieurs (D14, D15) - la partie fractionnaire conformément au tableau. Ce code est ensuite converti en un nombre hexadécimal à deux octets.
Sur un système Windows 98, dans la section [FtdiPort232.HW.AddReg] du fichier ftdiport.inf mentionné ci-dessus, recherchez la ligne 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 Veuillez noter qu'il est divisé en plusieurs lignes conditionnellement, et dans le fichier, il doit être écrit comme une seule, sans espaces. Les valeurs de coefficient qui peuvent être modifiées sont affichées alternativement en gras et en italique pour plus de commodité. Aucune sélection n'est autorisée dans le fichier. L'octet de poids faible de chaque coefficient est écrit en premier, suivi de l'octet de poids fort. Par exemple, la séquence E2,04 correspond au nombre 4E2H. Après avoir apporté les modifications nécessaires, le fichier édité est remplacé par celui d'origine. Sous Windows 2000, modifiez la même ligne dans la section [FtdiPort232.NT.HW.AddReg] du même fichier de la même manière. Auteurs : A. Lyssenko, R. Nazmutdinov, I. Malygin, Iekaterinbourg
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