Проект печатной платы модуля CP2102 USB в UART

Нажмите здесь, чтобы перейти к встроенному просмотру и просмотреть этот проект

Есть группа продуктов, над которыми я работаю, требующих загрузки и конфигурации через RS-232 или UART, и мне нравится загружать прототипы, подключая их к моему ноутбуку. Однако, чтобы получить доступ к этому интерфейсу, мне нужно отправлять данные и получать их через COM-порт. К сожалению, в моем ноутбуке есть только USB-порты, поэтому мне нужно преобразовать сигнал между USB-портом и интерфейсом UART. Обычно я использую небольшой модуль преобразователя интерфейса, который можно купить в интернете.

Преобразователи, которые я находил в интернете, довольно низкого качества и они легко выходят из строя из-за ударов или перенапряжения. Чтобы обеспечить некоторую защиту от перенапряжения, я собираюсь показать, как спроектировать мост USB в UART с использованием CP2102, популярного компонента преобразователя интерфейса для линий USB 2.0. Полный учебник по этому проекту вы можете посмотреть в следующем видео.

• Нажмите здесь, чтобы перейти к файлам дизайна

Возможно, вы задаетесь вопросом, почему бы просто не установить одну из этих схем непосредственно на прототипы, а затем получать доступ к интерфейсу UART ваших прототипов с помощью USB-кабеля? Это справедливый вопрос. Есть две причины для этого:

1. Не все встроенные продукты поддерживают USB, но мне сложно вспомнить встроенный продукт, который бы я создал без интерфейса UART.
2. Добавление дополнительного USB-порта с чипом преобразователя данных на каждый прототип добавляет лишней работы и занимает место. Проще просто установить 2-контактный разъем для линий UART.

Исходя из этого, давайте приступим к работе над небольшим модулем для преобразователя USB в UART CP2102.

Начало работы с CP2102

CP2102 от Silicon Labs - это компактный модуль преобразователя интерфейсов, который обеспечивает связь между USB и UART интерфейсами. Мне нравится этот компонент для систем, которым необходимо подключение к USB, потому что для чипа существуют готовые драйверы, позволяющие его использовать через COM-порт с помощью терминальной программы (я использую TeraTerm). Этот чип - один из многих, который используется в преобразователях USB в последовательный порт, которые вы найдете на Amazon или Alibaba.

CP2102 поставляется в корпусе QFN-28 и включает в себя несколько полезных функций:

• Интегрированный регулятор с +5V на +3V3 для питания устройств с более низким напряжением
• Программируемое ПЗУ для реализации данных продукта
• Простой необязательный вывод сброса и схема
• Интегрированные часы, исключающие необходимость ввнешнем кварцевом резонаторе
• Возможность питания от входа +3V3
• Передача данных через USB 2.0

Также есть необязательный блок выводов, которые действуют как индикаторы или управляющие выводы при использовании на одной плате с процессором, например, с микроконтроллером. Эти выводы могут управляться через GPIO. Нам не нужны эти выводы для этого модуля, поскольку модуль будет работать независимо от любого микроконтроллера.

Схемы

Цели проектирования для этого проекта просты: конструкция будет выводить свои данные UART, питание и землю на штыревой разъем. Конструкция должна поместиться в стандартный банк USB-портов. Наконец, я собираюсь добавить дополнительную защиту от перенапряжения на любые линии данных и линию шины +5 V, чтобы обеспечить максимальную защиту от перенапряжения для CP2102 и для устройства-хоста.

Для начала давайте кратко рассмотрим схему применения для CP2102 (страница 15 технического описания).

Схемы, как правило, будут следовать этой схеме применения с некоторыми добавлениями, которые будут обсуждены ниже. Поскольку мы используем этот модуль на плате без других цифровых компонентов, нам не нужно беспокоиться о дополнительной емкости шины питания, кроме дискретных конденсаторов, указанных на схеме применения. Посмотрев на другие модули, использующие это и подобные компоненты, вы увидите тот же тип и количество конденсаторов.

Диоды TVS

На этой схеме применения мы видим типичную рекомендацию по размещению диодов TVS на линиях USB. Рекомендуемая деталь - Littlefuse SP0503BAHT или эквивалент. Изначально я разместил однонаправленный диод TVS 0402 для этого компонента. Как я обсуждаю ниже, это будет просто временное решение, и оно будет заменено в финальной сборке.

Мы не будем использовать внешние схемы трансивера или вывод сброса в этой итерации. Вместо этого мы просто будем использовать схемы с левой стороны экрана. Я также добавлю TVS-диоды на линии UART Rx и Tx. Максимально возможный уровень напряжения для этой линии составляет VDD - 0.8 В. при максимальном VDD = 3.6 В, максимальное напряжение линии UART будет 2.4 В.

Для обеспечения максимально возможной защиты на линиях UART мы могли бы установить TVS-диод с меньшим порогом пробоя. Рекомендуемый TVS-диод защищает только до 5.5 В, что чуть ниже предела перенапряжения для входов/выходов на CP2102. Риск использования TVS-диода с меньшим порогом пробоя заключается в том, что он будет иметь более низкое напряжение зажима и не сможет выдержать более высокие напряжения импульсов ЭСР.

Окончательные схемы показаны ниже. Устройство простое и в основном следует схеме приложения. Я решил использовать +5V питание, поступающее в модуль от USB-коннектора (сеть VBUS), и передал его на вход регулятора CP2102. +5V питание и выходное +3V3 питание доступны на штыревом разъеме и могут быть использованы для питания внешнего устройства в пределах мощности, указанных в стандарте USB 2.0.

Размещение на печатной плате

Печатная плата будет выполнена на двух слоях, при этом все компоненты размещены на верхнем слое. Размер печатной платы будет настолько мал, что нам не обязательно требуется высокоскоростная трассировка линий USB, но мы реализуем это здесь как простой пример, чтобы показать, как это может быть сделано на такой плате. Эта плата настолько проста, что ее не нужно размещать на четырех слоях, и требования к трассировке USB могут быть выполнены с использованием копланарной дифференциальной трассировки.

Первоначальное размещение охватывает две секции; USB-разъем и TVS-диоды для линий USB размещаются на левой стороне платы, а колодка с диодами D4 и D5 размещается на правой стороне платы. Размещение на левой стороне макета платы показано ниже.

Первоначальное размещение на стороне колодки показано ниже. Я использовал угловую колодку, которая выступает за край платы, чтобы модуль имел низкий профиль. Это также позволяет использовать стандартные подвесные провода или кабель с шагом 100 мил для подключения к другой плате. Изначально разводка была настроена так, чтобы питание +5 В (сеть VBUS) поступало в колодку сверху, но позже это было изменено на нижнюю сторону для упрощения маршрутизации.

Размещение простое по обеим краям платы, и главное здесь - держать конденсаторы (C1-C4) близко к их соответствующим питающим контактам. Размещение D4 и D5 будет между U1 и P1, но я определю их местоположение после начала трассировки, чтобы убедиться, что трассировка рядом с ними не будет запутанной. С этим размещением USB трассировка теперь может идти прямо в разъем (J1). Следующий пункт - рассчитать ширину и расстояние трасс USB на этой двухслойной плате.

С целью минимизации стоимости, толщина платы должна быть установлена стандартной, 62 мил. Обратная сторона будет заземляющим полигоном, а верхняя сторона будет использовать копланарную трассировку для дифференциальной пары. Остальная часть L1 будет иметь медный полигон. Я использовал стандартное значение Dk, равное 4.8 в стеке, которое очень близко к стандартному значению моего выбранного производственного предприятия для двухслойных печатных плат. Настройки импеданса показаны ниже.

Здесь мы используем преимущество расстояния между парами и расстояние до медного залива на L1, чтобы установить дифференциальное сопротивление до целевого значения. Значение ширины было установлено исходя из размера контактных площадок на CP2102, поскольку я не хочу сужать трассировку в месте подключения к выводам U1. С этими настройками мы можем проложить дифференциальные пары к разъему и завершить компоновку.

Окончательный дизайн печатной платы показан ниже. Здесь есть лишняя длина, которую можно было бы убрать, если бы мы хотели миниатюризировать модуль. Просто используя инструмент измерения (Ctrl + M), я бы оценил, что мы могли бы убрать около 400-500 милов длины, просто переместив компоненты в правой части платы ближе к USB разъему.

В настоящее время размер этого модуля схож с размерами других модулей, которые можно приобрести в интернете, так что вышеупомянутый пункт не является критическим. Есть три других улучшения, которые могли бы быть реализованы в этом проекте:

• Добавьте маленькие индикаторные светодиоды SMD параллельно линиям UART Rx и Tx, чтобы у нас был визуальный индикатор передачи данных
• Добавьте защиту от обратного напряжения на линии 3V3; те же компоненты, что используются на линии USB, могут быть использованы и здесь
• Добавьте схему сброса с маленьким переключателем

Я собираюсь запустить партию этих устройств в производство, и мы проведем некоторые тесты, чтобы проверить, что платы работают корректно. Как я изложу в другом видео и блоге, я, вероятно, заменю диоды на TPD1E10B06DPYR при сборке, поскольку эти альтернативные диоды обеспечивают двунаправленную защиту и они ближе к спецификациям SP0503BAHT.

Перейдите по этой ссылке, чтобы скачать ZIP-архив с исходными файлами проекта. Вы также можете использовать ссылку для скачивания выше, чтобы получить доступ к исходным файлам.

Когда вам нужно быстро создать небольшие модули и подготовить их к производству, используйте 2D и 3D CAD инструменты в Altium Designer®. Когда вы закончили свой проект и хотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365™ упрощает сотрудничество и обмен проектами.

Мы только коснулись поверхности возможностей Altium Designer на Altium 365. Начните свою бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.