TUSB3410 USB 转串口控制器：功能特性与设计要点解析

在当今的电子设备连接领域，USB 接口与串口设备之间的通信需求日益增长。TUSB3410 作为一款 USB 转串口控制器，为这一需求提供了有效的解决方案。本文将深入探讨 TUSB3410 的功能特性、技术规格以及设计应用中的关键要点。

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一、设备概述

1.1 功能特性

TUSB3410 具有众多出色的特性，使其在 USB 转串口应用中表现卓越。它完全符合 USB 2.0 全速规范，支持 12-Mbps 的 USB 数据速率，同时支持 USB 挂起、恢复和远程唤醒操作。它还可配置为总线供电和自供电模式，提供了灵活的电源选项。

在通信端点方面，TUSB3410 支持总共三个输入和三个输出（中断、批量）端点。此外，它集成了 8052 微控制器，具备 256 × 8 RAM 用于内部数据存储，10K × 8 ROM（带有 USB 和 I²C 引导加载程序），16K × 8 RAM 可从主机或 I²C 端口加载代码，2K × 8 共享 RAM 用于数据缓冲和端点描述符块（EDB），并且拥有主 I²C 控制器用于 EEPROM 设备访问。MCU 以 24 MHz 运行，提供 2-MIPS 的操作能力，还配备了 128-ms 看门狗定时器，增强了系统的稳定性。

其增强的 UART 特性也十分突出，支持软件和硬件流控制，具备自动 RS - 485 总线收发器控制（带或不带回显），可选择 IrDA 模式实现高达 115.2-kbps 的传输，软件可选择从 50 BPS 到 921.6 kbps 的波特率，可编程的串行接口特性包括 5 - 8 位字符、奇偶校验位生成和检测、1 - 2 个停止位生成、线路中断生成和检测、内部测试和回环功能、调制解调器控制功能以及内部诊断能力等。

1.2 应用领域

TUSB3410 的应用范围广泛，涵盖了调制解调器、打印机、手持设备等外设，还可用于医疗仪表、DSP 和 μC 接口等领域，为不同类型的设备提供了 USB 与串口之间的桥梁。

1.3 设备描述

TUSB3410 实现了 USB 端口与增强型 UART 串口之间的桥接。它包含一个 8052 微控制器单元（MCU），其 16KB 的 RAM 可从主机或通过 I²C 从外部板载内存加载。10KB 的 ROM 允许 MCU 在启动时配置 USB 端口，并且 ROM 代码中包含 I²C 引导加载程序。所有设备功能，如 USB 命令解码、UART 设置和错误报告，都由内部 MCU 固件与 PC 主机协同管理。

二、技术规格

2.1 绝对最大额定值

在工作自由空气温度范围内，TUSB3410 的电源电压（VCC）范围为 -0.5 至 3.6 V，输入电压（VI）和输出电压（VO）范围为 -0.5 至 VCC + 0.5 V，输入钳位电流（IIK）和输出钳位电流（IOK）最大为 ±20 mA，存储温度在工业标准下为 -65 至 150 °C，标准下为 -55 至 150 °C。需要注意的是，超出这些绝对最大额定值的应力可能会对设备造成永久性损坏。

2.2 ESD 评级

TUSB3410 在静电放电（ESD）性能方面表现良好，人体模型（HBM）的 ESD 评级为 ±2000 V，带电设备模型（CDM）的 ESD 评级为 ±500 V。

2.3 推荐工作条件

推荐的电源电压（VCC）为 3 至 3.6 V，典型值为 3.3 V。输入电压（VI）范围为 0 至 VCC，高电平输入电压（VIH）在 TTL 模式下为 2 至 VCC，CMOS 模式下为 0.7 × VCC 至 VCC，低电平输入电压（VIL）在 TTL 模式下为 0 至 0.8 V，CMOS 模式下为 0 至 0.2 × VCC。工作温度在商业范围内为 0 至 70 °C，工业范围内为 -40 至 85 °C。

2.4 热信息

TUSB3410 在不同封装下具有不同的热性能指标。以 VQFN（32）和 LQFP（32）封装为例，结到环境的热阻（RθJA）分别为 32.1 和 70.5 °C/W，结到外壳（顶部）的热阻（RθJC(top)）分别为 24.6 和 31.4 °C/W，结到电路板的热阻（RθJB）分别为 6.5 和 28.3 °C/W 等。

2.5 电气特性

在 (T{A}=25^{circ} C)，(V{C C}=3.3 ~V pm 5 %)，(V_{SS}=0 ~V) 的条件下，TUSB3410 的高电平输出电压（VOH）在 TTL 模式下为 VCC - 0.5，CMOS 模式下为 VCC - 0.5 V；低电平输出电压（VOL）在 TTL 和 CMOS 模式下均为 0.5 V。输入电容（CI）为 18 pF，输出电容（CO）为 10 pF，时钟占空比为 50%，抖动规格为 ±100 ppm 等。

2.6 时序和开关特性

2.6.1 唤醒时序

TUSB3410 可以通过主机命令从挂起状态唤醒，也支持远程唤醒。低脉冲在 WAKEUP 端子或 RI/CP 端子的低到高转换可以唤醒设备。为了确保可靠操作，任一条件必须持续至少约 3 - ms，以便晶体有时间上电。

2.6.2 复位时序

复位信号时序有三个要求。首先，最小复位脉冲持续时间为 100 μs，在电源上电时，从电源上升到标称 (V_{CC}) 的 90% 到复位信号超过 1.2 V 开始测量。其次，时钟必须在复位窗口的最后 60 μs 内有效。最后，根据 USB 规范，设备必须在 100 ms 内准备好响应主机。建议设备在 30 ms 内退出复位，以便有 70 ms 用于其他事件完成，即复位信号必须在 30 ms 内上升到 1.8 V。

三、详细功能描述

3.1 数据传输与模式

TUSB3410 实现了 USB 与 UART 之间的数据传输。数据从主机通过 USB OUT 命令流向 TUSB3410 设备，然后从 SOUT 线输出；反之，数据从 SIN 线流入 TUSB3410 设备，再通过 USB IN 命令流入主机。

3.2 功能模式

3.2.1 USB 接口配置

TUSB3410 板载的 ROM 微代码使 MCU 能够将设备枚举为 USB 外设。ROM 微代码还可以从外部内存通过 I²C 总线或从主机通过 USB 将应用代码加载到内部 RAM 中。在外部内存情况下，复位后设备断开与 USB 的连接，检查 I²C 端口的有效代码，若找到则上传代码到 RAM 程序空间，然后连接到 USB 进行枚举和配置；若未找到有效代码，则连接到 USB 进行枚举和默认配置，主机可下载额外的微代码到 RAM 进行定制应用。

3.2.2 USB 数据移动

从 USB 角度看，TUSB3410 像一个 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。

3.2.3 串口设置

串口需要写入一些控制寄存器来配置其操作，这些寄存器通常由主机应用程序控制，包括控制串行字格式的线路控制寄存器和控制波特率的除数寄存器。

3.2.4 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、RS - 485 数据模式和 IrDA 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，还支持软件和硬件流控制。
• 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 信号以启用 RS485 驱动器或接收器，支持软件流控制，但硬件流控制效果不佳。
• IrDA 数据模式：该模式按照 IrDA 标准对 SOUT 进行编码，对 SIN 进行解码，最高传输速率为 115.2 kbps，通常为全双工通信，一般仅连接 SOUT 和 SIN 路径，支持软件流控制。

3.3 处理器子系统

3.3.1 DMA 控制器

DMA 控制器通过 EDB 进行批量数据 I/O。在 IN 事务（TUSB3410 到主机）中，MCU 初始化 IEDB 和 DMA 寄存器，DMA 从 UART 向 X 缓冲区传输数据，完成 64 字节块传输后更新字节计数并通知 UBM，然后交替在 X 和 Y 缓冲区传输数据。传输终止可能由于主机通知停止、部分数据包、缓冲区溢出或 UART 错误条件等情况。在 OUT 事务（主机到 TUSB3410）中，MCU 初始化 OEDB 和 DMA 寄存器，UBM 将数据从主机传输到 X 缓冲区，DMA 再将数据从 X 缓冲区传输到 UART，同样交替在 X 和 Y 缓冲区进行传输，传输终止条件与 IN 事务类似。

3.3.2 UART

UART 数据传输通过 DMA 控制器和 USB 缓冲区管理器（UBM）实现。UART 通道有 512 字节的缓冲区用于缓冲传输和接收数据，具有 64 字节的双缓冲区空间（X 和 Y 缓冲区）。DMA 工作在连续模式下，与 UBM 交替在 X 和 Y 缓冲区进行数据传输。

3.3.3 I²C 端口

I²C 端口支持随机读取、当前地址读取、顺序读取、字节写入和页写入操作。在不同操作中，MCU 通过设置 I²C 相关寄存器来控制数据传输和停止条件，确保数据的准确读写。

3.4 内存管理

3.4.1 MCU 内存映射

MCU 内存映射在引导和正常操作模式下有所不同。在引导模式（SDW = 0）下，10K ROM 映射到地址（0x0000 - 0x27FF）并在（0x8000 - 0xA7FF）重复，16K RAM 映射到数据空间（0x0000 - 0x3FFF）；在正常模式（SDW = 1）下，10K ROM 映射到（0x8000 - 0xA7FF），16K RAM 映射到代码空间（0x0000 - 0x3FFF）。

3.4.2 寄存器

TUSB3410 包含多种寄存器，如 ROMS 寄存器用于切换引导模式和正常操作模式，提供设备修订号和 ROM/RAM 配置；WDCSR 寄存器用于控制和监视看门狗定时器等。

3.4.3 缓冲区 + I/O RAM 映射

地址范围从 F800h 到 FFFFh（2K 字节）用于数据缓冲区、设置包、端点描述符块（EDB）和所有 I/O。不同的地址范围分配给不同的功能，如内部 MMRs、EDB、设置包、输入和输出端点缓冲区以及数据缓冲区等。

3.4.4 端点描述符块（EDB）

提供三个输入和三个输出 EDB，每个 EDB 包含 X 和 Y 缓冲区的信息以及一般状态信息。不同的端点寄存器定义了缓冲区的大小、字节计数、基地址和配置等。

3.4.5 USB 寄存器

USB 寄存器包括 FUNADR 寄存器用于存储设备功能地址，USBSTA 寄存器用于指示 USB 状态，USBMSK 寄存器用于屏蔽 USB 中断，USBCTL 寄存器用于控制 USB 连接和操作模式等。

3.4.6 DMA 控制器寄存器

DMA 控制器有两个通道用于主机与 UART 之间的数据传输，分别为 DMA - 1（主机到 UART）和 DMA - 3（UART 到主机）。每个通道可以指向三个 EDB 之一，并根据 DMA 寄存器的设置进行数据传输。

3.4.7 UART 寄存器

UART 寄存器用于数据 I/O、控制和状态信息，包括接收器数据寄存器（RDR）、发送器数据寄存器（TDR）、线路控制寄存器（LCR）、流量控制寄存器（FCRL）等。

3.4.8 扩展 GPIO 端口

TUSB3410 有四个通用 I/O 端子（P3.0、P3.1、P3.3 和 P3.4），由运行在 MCU 上的固件控制。每个端子可以独立控制，具有 12 - mA 推挽 CMOS 输出和 3 - 态控制，输入可通过 MOV 指令读取，输出可通过 SETB 和 CLR 指令设置。

3.4.9 中断

TUSB3410 保留了 8052 标准的五个中断源，额外的中断源通过 OR 操作生成 EX0。向量中断寄存器（VECINT）用于识别所有中断源，MCU 负责读取向量并调度到适当的中断程序。

3.4.10 I²C 寄存器

I²C 寄存器包括 I2CSTA 寄存器用于控制读写操作的停止条件，I2CADR 寄存器用于存储设备地址和读写命令位，I2CDAI 寄存器用于存储从外部设备接收的数据，I2CDAO 寄存器用于存储要传输到外部设备的数据。

3.5 引导模式

TUSB3410 的引导代码嵌入在 10k 字节的引导 ROM 中，可从外部 I²C 内存设备或 USB 主机引导加载程序设备驱动加载应用固件。引导代码在初始化 I²C 和 USB 寄存器及内部变量后，检查 I²C 设备是否存在有效签名，若存在则加载定制描述符和固件，否则连接到 USB 等待主机驱动下载固件。

四、应用、实现与布局

4.1 应用信息

TUSB3410 可作为基本的 USB 到 UART 桥接器，实现 PC 与任何串行设备通过 USB 端口的通信。

4.2 典型应用

典型应用的设计参数包括 3.3 V 的 VCC 电源、1.8 V 的 VDD1/8 电源、支持 HS 和 FS 的上游 USB 端口、RS - 232 收发器和 12 MHz 的 XTAL。详细设计过程包括上游端口实现（将 USB - 2.0 连接器的 VBUS 连接到 3.3 - V 电压调节器，再通过电压分压器生成 1.8 V 电源）、晶体实现（使用 12 - MHz 平行谐振晶体，通过电容实现 18 - pF 负载）、RS - 232 实现（所有串行数据和控制信号通过 RS - 232 驱动器连接到 DB9 连接器）和电源实现等。

4.3 布局

在 PCB 设计中，需要关注高速信号的布局。关键信号如 USB 2.0 差分对（DP 和 DM）等需要遵循特定的布线和放置准则，如最小化走线长度、避免过孔和拐角、保持信号间距等，以减少信号干扰和电磁干扰。

4.4 电源供应建议

TUSB3410 需要 3.3 V 和 1.8 V 的数字电源，每个电源端子需要 0.1 - μF 的旁路电容到地，同时建议使用 0.01 - μF 的小电容。内部电压调节器在 VREGEN 为低时生成 1.8 V 电源，VREGEN 为高时需要外部提供 1.8 V 电源。

4.5 晶体选择

TUSB3410 需要 12 - MHz 的时钟源，建议使用平行谐振晶体，通过电容实现 18 - pF 的负载要求。使用晶体时，上电后约 2 ms 可产生稳定时钟；使用时钟振荡器时，X1/CLKI 端子的信号不得超过 1.8 V，X2 端子不连接。

4.6 外部电路

为了确保