01

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中為什么要使用USB 接口芯片

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用USB接口芯片的原因主要基于USB接口的多種優(yōu)勢及其與物聯(lián)網(wǎng)設備的兼容性。以下是詳細分析：

1、廣泛的兼容性與標準化

USB接口已成為消費性和工業(yè)電子產(chǎn)品的標準接口之一，具有廣泛的兼容性。物聯(lián)網(wǎng)設備通過集成USB接口芯片，可以方便地與其他具有USB接口的設備進行連接和數(shù)據(jù)交換，無需擔心兼容性問題。

2、高效的數(shù)據(jù)傳輸能力

USB接口支持多種數(shù)據(jù)傳輸速率，從USB 1.1的12 Mbps到USB 3.x的數(shù)千Mbps不等。這種高效的數(shù)據(jù)傳輸能力使得物聯(lián)網(wǎng)設備能夠快速地與計算機、服務器或其他設備進行數(shù)據(jù)通信，滿足物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對實時性和高效性的要求。

3、靈活的電力供應

USB接口不僅用于數(shù)據(jù)傳輸，還可以為連接的設備提供電力。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，許多設備需要持續(xù)供電以保持正常運行。通過USB接口供電，可以簡化電源設計，減少設備體積和重量，提高設備的便攜性和靈活性。

4、易于擴展和升級

USB接口支持熱插拔功能，即在不關(guān)閉系統(tǒng)電源的情況下，可以連接或斷開USB設備。這使得物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在擴展或升級時更加靈活方便。例如，可以通過USB接口連接新的傳感器、執(zhí)行器等設備，或更新設備的固件和驅(qū)動程序。

5、豐富的外設支持

USB接口支持多種外設，包括鍵盤、鼠標、打印機、攝像頭、存儲設備等。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，這些外設可以用于數(shù)據(jù)采集、人機交互、數(shù)據(jù)存儲等多種場景。通過集成USB接口芯片，物聯(lián)網(wǎng)設備可以輕松地與這些外設進行連接和使用。

6、低功耗設計

盡管USB接口在小型、便攜式設備上可能會增加電流消耗，但現(xiàn)代USB接口芯片和技術(shù)已經(jīng)提供了低功耗解決方案。例如，USB Type-C接口提供了更高的電力傳輸效率，同時支持多種電源管理功能，有助于降低設備的功耗和延長電池壽命。

7、強大的軟件支持

USB接口得到了廣泛的軟件支持，包括操作系統(tǒng)層面的驅(qū)動程序和應用程序?qū)用娴腁PI接口。這使得物聯(lián)網(wǎng)設備可以輕松地與各種軟件和應用程序進行集成和交互，實現(xiàn)更復雜的功能和應用場景。

8、應用場景

USB接口芯片的應用場景非常廣泛，幾乎涵蓋了所有需要數(shù)據(jù)傳輸和連接外部設備的領(lǐng)域。主要包括：

計算機和外圍設備連接：如打印機、掃描儀、攝像頭、音頻設備等。

嵌入式系統(tǒng)：如智能手機、平板電腦、數(shù)字相機等。

汽車電子：用于車載娛樂系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、安全系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)傳輸和通信。

醫(yī)療設備：用于醫(yī)療設備與計算機或其他設備之間的數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控。

工業(yè)控制：在工業(yè)自動化和機器人控制中，USB接口芯片用于實現(xiàn)設備之間的數(shù)據(jù)交互和控制。

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用USB接口芯片的原因主要包括廣泛的兼容性與標準化、高效的數(shù)據(jù)傳輸能力、靈活的電力供應、易于擴展和升級、豐富的外設支持、低功耗設計以及強大的軟件支持等。這些優(yōu)勢使得USB接口芯片成為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。

本文會再為大家詳解電接口芯片家族中的一員——USB接口芯片。

02

USB接口芯片定義

USB接口芯片是指按照USB總線協(xié)議進行通信，并通過內(nèi)部集成的邏輯電路將USB通信內(nèi)容轉(zhuǎn)化為其他接口（如SPI、I2C）或電位信號，以控制其他裝置（如鼠標、鍵盤、音箱、GPS等）的芯片。USB（Universal Serial Bus，通用串行總線）是一種串口總線標準，也是一種輸入輸出接口的技術(shù)規(guī)范，被廣泛地應用于個人電腦和移動設備等信息通訊產(chǎn)品，并擴展至攝影器材、數(shù)字電視（機頂盒）、游戲機等其它相關(guān)領(lǐng)域。

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USB接口芯片的原理

USB接口芯片的核心是USB控制器，它包含了USB通信協(xié)議的處理邏輯和數(shù)據(jù)緩存功能。當USB設備插入計算機或其他主機設備時，USB接口芯片會檢測到設備的插入，并向主機發(fā)送插入信號。主機在接收到插入信號后，會發(fā)送設備識別請求，芯片會根據(jù)請求返回設備的信息。之后，主機和設備之間會進行一系列的數(shù)據(jù)傳輸和通信，芯片會負責處理和管理這些數(shù)據(jù)。當設備被拔出時，芯片會向主機發(fā)送拔出信號，主機會斷開與設備的連接。

TTL電平、COMS電平、232電平、USB電平信號的主要特性

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USB接口芯片的分類

USB接口芯片主要分為三大類：

USB主控制器芯片：主要負責實現(xiàn)主機與USB設備之間的數(shù)據(jù)傳輸。

USB集線器芯片：可以將一個USB接口的信號和電力傳輸?shù)搅硗鈳讉€USB接口。

USB功能設備芯片：主要負責USB接口的連接和中斷處理，以及各種USB設備的識別、協(xié)議轉(zhuǎn)換和控制等功能。

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USB接口芯片的選型參數(shù)

在選擇USB接口芯片時，需要考慮以下參數(shù)：

兼容性：確保芯片支持所需的USB版本（如USB 2.0、USB 3.0、USB 3.1等）和設備類型。

數(shù)據(jù)傳輸速度：根據(jù)應用需求選擇合適的數(shù)據(jù)傳輸速度。

功耗：考慮芯片的功耗是否符合設備的電源要求。

封裝形式：根據(jù)PCB布局和空間限制選擇合適的封裝形式。

內(nèi)置功能：如是否需要內(nèi)置時鐘、EEPROM等。

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不同設備之間USB通信方案選擇

PC機上的通信接口有USB接口，相應電平邏輯遵照USB原則；還有DB9接口（九針口），相應電平邏輯遵照RS-232原則。

而我們的單片機上的串行通信通過單片機的RXD、TXD、VCC、GND四個引腳，相應電平邏輯遵照TTL原則。

當然，新手小白買的學習板上肯定都已經(jīng)集成了類似PL2303、CP2102之類的USB轉(zhuǎn)TTL芯片，相應接口也變成了USB接口；有些學習板上集成的是MAX232之類的TTL轉(zhuǎn)RS-232芯片，相應的接口也變成了DB9接口。

轉(zhuǎn)換的目的是把電平轉(zhuǎn)換到雙方都能識別，下面分類舉例：

情況1：PC機USB口與不帶電平轉(zhuǎn)換芯片的單片機通信

方法：外購USB轉(zhuǎn)TTL模塊，如下圖所示。該模塊一端接入PC機的USB接口，另一端有TXD、RXD、GND、5V、3.3V五個引腳，分別與單片機的RXD、TXD、GND、5V引腳相連，對于采用3.3V供電的單片機則把5V改為3.3V即可。該模塊核心就是一塊PL2303、CP2102芯片進行USB與TTL電平的轉(zhuǎn)換。

情況2：PC機USB口與集成了USB轉(zhuǎn)TTL芯片的單片機通信

方法：直接用USB線連接即可，只是單片機上的USB接口形式有時會不同，根據(jù)A-USB、B-USB、micro-USB、mini-USB分別選擇合適的接線

情況3：PC機USB口與集成了TTL轉(zhuǎn)RS-232芯片的單片機通信

方法：外購USB轉(zhuǎn)RS-232模塊，如下圖所示。該模塊核心是在DB9的一端有一塊CH340或CH341電平轉(zhuǎn)換芯片，把RS-232電平轉(zhuǎn)換為USB電平

情況4：PC機DB9接口與不帶電平轉(zhuǎn)換芯片的單片機通信

方法：外購RS232轉(zhuǎn)TTL模塊，如下圖所示。該模塊一端是DB9與PC機DB9連接，一端是RXD、TXD、VCC、GND與單片機相應引腳連接。其核心是一塊max232電平轉(zhuǎn)換芯片。

情況5：PC機DB9接口與成了USB轉(zhuǎn)TTL芯片的單片機通信

方法：一般不會這么進行通信PC機上DB9接口都有了還會沒有USB接口？如果非要進行，外購RS-232轉(zhuǎn)USB模塊，如上面提到過的

情況6：PC機DB9接口與成了RS-232轉(zhuǎn)TTL芯片的單片機通信

方法：直接用DB9（串口線）連接即可！

用一張圖總結(jié)一下以上幾種情況：

最后，別忘了PC端還要安裝相應的驅(qū)動程序哦！

07

USB接口芯片的使用注意事項

供電電壓：確保為USB接口芯片提供正確的供電電壓，通常為5V或3.3V。

信號完整性：在PCB設計中注意USB信號線的布局和走線，避免信號干擾和衰減。

驅(qū)動安裝：確保在使用前已安裝正確的驅(qū)動程序，以避免設備無法識別或功能異常。

熱插拔：雖然USB接口支持熱插拔，但在插拔過程中應避免暴力操作，以免損壞接口或芯片。

靜電防護：在連接或斷開USB設備時，注意靜電防護，避免靜電對芯片造成損害。

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USB接口芯片的廠商

USB接口芯片的廠商眾多，包括但不限于英特爾（Intel）、德州儀器（TI）、微芯科技（Microchip）、恩智浦（NXP）、威盛電子（VIA）等。此外，還有一些專注于USB接口芯片研發(fā)的國內(nèi)廠商，如南京沁恒微電子股份有限公司等。這些廠商提供了多種類型、不同規(guī)格和性能的USB接口芯片供用戶選擇。

供應商A:沁恒微電子

1、產(chǎn)品能力

（1）選型手冊

PRODUCT_GUIDE.PDF

（2）主推型號1:CH340N

對應的產(chǎn)品詳情介紹

沁恒微電子的CH340N是一款USB轉(zhuǎn)串口芯片，它在多個領(lǐng)域都有廣泛的應用。以下是對CH340N的詳細介紹：

一、基本信息

品牌：WCH/沁恒

型號：CH340N

封裝形式：SOP-8，這種封裝形式使得芯片尺寸小，便于在PCB上布局。

內(nèi)部特性：內(nèi)置晶振，無需外部晶振電路，簡化了外圍電路設計。

二、電氣參數(shù)

電源電壓：根據(jù)參考文章，CH340N支持3.3V和5V電源電壓。但請注意，不同來源的信息可能有所差異。例如，有信息指出其最小電源電壓為3V，最大電源電壓為8V（可能是指在不同應用或測試條件下的極限值），但在實際應用中，常見的供電電壓為3.3V或5V。

工作溫度：支持較寬的工作溫度范圍，最小工作溫度為-50°C，最大工作溫度可達100°C或更高（具體取決于不同來源的信息）。

三、應用特點

外圍電路簡單：CH340N的應用電路相對簡單，沒有冗余的復雜設計，使得用戶使用起來更加便捷。

成本低：作為國產(chǎn)芯片，CH340N的成本相對較低，符合當前的經(jīng)濟貿(mào)易趨勢。

易于集成：由于其小巧的封裝形式和內(nèi)置晶振的特性，CH340N易于集成到各種電子設備中。

廣泛應用：CH340N可廣泛應用于便攜式低功耗產(chǎn)品、消費類電子產(chǎn)品、智能電表、商業(yè)機器人激光雷達等領(lǐng)域，實現(xiàn)USB與串口之間的轉(zhuǎn)換。

四、使用注意事項

供電電壓：確保為CH340N提供正確的供電電壓，避免電壓過高或過低導致芯片損壞。

信號完整性：在PCB設計中注意USB信號線的布局和走線，避免信號干擾和衰減。

驅(qū)動安裝：在使用前，確保已在上位機（如PC）上安裝了CH340N的驅(qū)動程序，以便正確識別和使用設備。

靜電防護：在連接或斷開USB設備時，注意靜電防護，避免靜電對芯片造成損害。

五、應用場景

便攜式低功耗產(chǎn)品：如智能手表、藍牙耳機等，CH340N可用于實現(xiàn)USB充電和調(diào)試功能。

消費類電子產(chǎn)品：如打印機、掃描儀等，CH340N可用于將設備的串口信息通過USB傳輸?shù)缴衔粰C進行顯示或處理。

智能電表：在智能電表中，CH340N可用于實現(xiàn)USB接口與電表內(nèi)部電路之間的通信，以便將用電信息傳輸?shù)皆贫朔掌鳌?/p>

商業(yè)機器人激光雷達：在商用機器人雷達中，CH340N可用于提供穩(wěn)定、高速的數(shù)據(jù)傳輸解決方案。

六、廠商信息

南京沁恒微電子股份有限公司是一家專注于連接技術(shù)和微處理器內(nèi)核研究的集成電路設計企業(yè)。該公司基于自研專業(yè)接口IP、微處理器內(nèi)核IP構(gòu)建芯片，致力于為客戶提供萬物互聯(lián)、上下互通的芯片及解決方案。其主要產(chǎn)品包括USB/藍牙/以太網(wǎng)接口芯片和連接型/互聯(lián)型/無線型MCU等。

綜上所述，沁恒微電子的CH340N是一款功能強大、易于使用且成本較低的USB轉(zhuǎn)串口芯片，在多個領(lǐng)域都有廣泛的應用前景。

硬件參考設計

研發(fā)設計注意使用事項

上圖是統(tǒng)一供電方式下MCU單片機通過TTL串口連接CH340芯片實現(xiàn)USB通訊的參考電路。該產(chǎn)品選擇自供電方式，VCC支持5V或者3.3V（VCC為3.3V時V3需短接到VCC），完全不使用USB總線電源VBUS（如有需要MCU可以通過I/O串電阻后檢測其是否有效）。CH340與MCU使用同一電源VCC，所以CH340與MCU之間不存在雙電源通過I/O相互電流倒灌的情形。CH340沒有使用到的信號線都可以懸空。對于CH340C/N/K/E/X/B芯片，無需X6和C17及C18

核心料（哪些項目在用）

NB定位器traker,eSIM讀卡表控制板項目

（1）技術(shù)產(chǎn)品

技術(shù)資料

CH340DS1.PDF

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審核編輯 黃宇