TUSB3410 USB 转串口控制器：特性、应用与设计要点

在电子设备的设计中，实现 USB 接口与串口设备之间的通信是一个常见需求。TI 的 TUSB3410 作为一款 USB 转串口控制器，为解决这一问题提供了有效的方案。本文将详细介绍 TUSB3410 的特性、应用场景以及设计过程中的关键要点。

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一、TUSB3410 概述

1.1 功能特性

TUSB3410 提供了 USB 端口与增强型 UART 串口之间的桥接功能。它集成了 8052 微控制器单元（MCU），拥有 16KB 可从主机或外部板载内存通过 I2C 加载的 RAM，以及 10KB 允许 MCU 在启动时配置 USB 端口的 ROM，且 ROM 代码包含 I2C 引导加载程序。该设备具备以下显著特性：

• 增强 UART 功能：支持软件和硬件流控制、自动 RS - 485 总线收发器控制（有无回显可选），还具备可选的 IrDA 模式，最高传输速率可达 115.2 kbps。
• USB 兼容性：完全符合 USB 2.0 全速规范，支持 12 Mbps 的 USB 数据速率，支持 USB 挂起、恢复和远程唤醒操作，可配置为总线供电和自供电模式，总共支持三个输入和三个输出（中断、批量）端点。
• 可配置串口特性：软件可选波特率范围从 50 BPS 到 921.6 kbps，可编程设置串口接口特性，如 5 - 8 位字符长度、奇偶校验位生成与检测、1 - 2 个停止位生成以及线路中断生成与检测。
• 内部资源丰富：集成 8052 微控制器，拥有 256 × 8 RAM 用于内部数据存储、10K × 8 ROM（带 USB 和 I2C 引导加载程序）、16K × 8 RAM 用于代码空间加载，还具备内部测试和回环功能、调制解调器控制功能（CTS、RTS、DSR、RI 和 DCD），以及 2K × 8 共享 RAM 用于数据缓冲区和端点描述符块（EDB）。

1.2 应用场景

TUSB3410 可广泛应用于多种场景，如调制解调器外设（打印机、手持设备等）、医疗仪表以及 DSP 和 μC 接口等。它能够帮助构建传统串口外设与具有 USB 端口的 PC 之间的接口，实现数据的有效传输。

二、详细技术分析

2.1 功能模式

2.1.1 USB 接口配置

TUSB3410 板载 ROM 微代码使 MCU 能够将设备枚举为 USB 外设。ROM 微代码还能通过 I2C 总线从外部内存或通过 USB 从主机将应用代码加载到内部 RAM 中。根据不同情况，设备有外部内存加载和主机下载两种模式。

• 外部内存加载：复位后，设备断开与 USB 的连接，检查 I2C 端口是否存在有效代码。若存在，则将代码从外部内存设备上传到 RAM 程序空间，然后连接到 USB 进行枚举和配置。
• 主机下载：若 I2C 端口未找到有效代码，设备连接到 USB 进行枚举和默认配置。主机可将额外的微代码下载到 RAM 中，通过清除和设置 CONT 位使设备以新配置重新枚举。

2.1.2 USB 数据移动

从 USB 角度看，TUSB3410 表现为 USB 外设设备，使用端点零作为控制端点，可配置多达三个输入和三个输出端点。大多数数据通过片上 DMA 传输在 USB 端和 UART 端之间移动，特殊情况可能使用 MCU 控制的编程 I/O。

2.1.3 串口设置

串口操作需要写入一些控制寄存器进行配置，如控制串口字格式的线路控制寄存器和控制波特率的除数寄存器。这些寄存器通常由主机应用程序控制。

2.1.4 串口数据模式

串口可配置为三种不同的数据模式：

• RS - 232 数据模式：默认模式，用于全双工通信。调制解调器控制输出（RTS 和 DTR）可与调制解调器通信或作为通用输出，调制解调器控制输入（CTS、DSR、DCD 和 RI/CP）可与调制解调器通信或作为通用输入。还支持软件流控制。
• RS - 485 数据模式：与 RS - 232 模式类似，但由于 RS - 485 是总线架构，为半双工通信系统。TUSB3410 在该模式下控制 RTS 和 DTR 信号，可启用 RS485 驱动器或接收器。软件流控制虽支持但价值有限。
• IrDA 数据模式：按 IrDA 标准对 SOUT 进行编码，对 SIN 进行解码，最高速率可达 115.2 kbps，通常用于全双工通信，一般仅连接 SOUT 和 SIN 路径，支持软件流控制。

2.2 处理器子系统

2.2.1 DMA 控制器

DMA 控制器在数据传输中起着关键作用，支持批量数据 I/O。以 IN 事务（TUSB3410 到主机）为例，MCU 初始化 IEDB 和相关 DMA 寄存器后，DMA 开始将数据从 UART 传输到 X 缓冲区。当一个 64 字节的块传输完成后，DMA 更新字节计数并通知 UBM，然后继续将数据传输到 Y 缓冲区，交替进行，直到满足传输终止条件。

2.2.2 UART

UART 接收器具有 32 字节的 FIFO，有高、低两个触发级别。当达到高触发级别时，RTS 端子变高或发送 Xoff；当达到低触发级别时，RTS 端子变低或发送 Xon。此外，UART 还支持自动 RTS（接收器控制）、自动 CTS（发送器控制）以及 Xon/Xoff 接收器和发送器流控制。

2.2.3 I2C 端口

I2C 端口支持随机读取、当前地址读取、顺序读取、字节写入和页面写入等操作。每个操作都有特定的步骤和寄存器配置，以确保数据的正确传输和设备的正常工作。

2.3 内存管理

TUSB3410 的内存管理包括 MCU 内存映射、寄存器配置、缓冲区和 I/O RAM 映射以及端点描述符块（EDB）。不同的内存区域和寄存器在设备的启动、运行和数据传输过程中发挥着不同的作用。例如，ROM 影子配置寄存器（ROMS）用于切换设备的启动模式和正常操作模式，不同的位设置决定了代码空间的映射和操作权限。

三、设计与布局要点

3.1 典型应用设计

在将 TUSB3410 用作 USB 到 UART 桥接器时，需要满足一些基本设计要求。例如，VCC 电源为 3.3V，VDD1/8 为 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 收发器，并且需要一个 12 MHz 的晶体作为时钟源。

• 上游端口实现：将 USB - 2.0 连接器的 VBUS 连接到 3.3V 电压调节器，生成 VCC 所需的 3.3V 电源，再通过电压分压器生成 1.8V 的 VDD。
• 晶体实现：推荐使用并联谐振晶体，通过在晶体两端连接 33 - pF 电容器到地，结合设备的输入电容和电路板杂散电容，实现接近 18 - pF 的负载要求。
• RS - 232 实现：所有串行数据线和控制信号都需要通过 RS - 232 驱动器，如 SN75LV4737A，然后连接到 DB9 连接器。
• 电源实现：VCC 和 VDD18 电源需要连接 0.1 - μF 的旁路电容器到地，以确保设备的正常运行。同时，建议在数字电源端子上添加 0.01 - μF 的较小值电容器。

3.2 布局准则

在 PCB 设计过程中，需要特别关注高速信号的布局，以确保信号质量和减少电磁干扰（EMI）问题。关键信号如 USB 2.0 差分对（DP 和 DM）、超高速差分对（SSTXP、SSTXN、SSRXP 和 SSRXN）需要遵循特定的路由和放置准则。例如，高速 USB 信号应尽量减少走线长度、使用最少的过孔和拐角、避免在晶体、振荡器等附近布线，并且要保持差分信号的间距和与参考平面的距离。

四、总结

TUSB3410 作为一款功能强大的 USB 转串口控制器，为电子工程师提供了丰富的特性和灵活的配置选项。在设计过程中，理解其功能模式、处理器子系统、内存管理以及设计与布局要点是确保设备正常运行和实现高性能的关键。希望本文能够为工程师们在使用 TUSB3410 进行设计时提供有价值的参考。

你在使用 TUSB3410 过程中遇到过哪些问题？或者对其应用有什么独特的见解？欢迎在评论区分享交流。