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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(shì)及其與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的兼容性。以下是詳細(xì)分析：

1、廣泛的兼容性與標(biāo)準(zhǔn)化

USB接口已成為消費(fèi)性和工業(yè)電子產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)接口之一，具有廣泛的兼容性。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(shè)備進(jìn)行連接和數(shù)據(jù)交換，無需擔(dān)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(shè)備能夠快速地與計(jì)算機(jī)、服務(wù)器或其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，滿足物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性和高效性的要求。

3、靈活的電力供應(yīng)

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

4、易于擴(kuò)展和升級(jí)

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(shè)備。這使得物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在擴(kuò)展或升級(jí)時(shí)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(shè)備，或更新設(shè)備的固件和驅(qū)動(dòng)程序。

5、豐富的外設(shè)支持

USB接口支持多種外設(shè)，包括鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、攝像頭、存儲(chǔ)設(shè)備等。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，這些外設(shè)可以用于數(shù)據(jù)采集、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等多種場(chǎng)景。通過集成USB接口芯片，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以輕松地與這些外設(shè)進(jìn)行連接和使用。

6、低功耗設(shè)計(jì)

盡管USB接口在小型、便攜式設(shè)備上可能會(huì)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(shí)支持多種電源管理功能，有助于降低設(shè)備的功耗和延長電池壽命。

7、強(qiáng)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(dòng)程序和應(yīng)用程序?qū)用娴腁PI接口。這使得物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以輕松地與各種軟件和應(yīng)用程序進(jìn)行集成和交互，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能和應(yīng)用場(chǎng)景。

8、應(yīng)用場(chǎng)景

USB接口芯片的應(yīng)用場(chǎng)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(shè)備的領(lǐng)域。主要包括：

計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備連接：如打印機(jī)、掃描儀、攝像頭、音頻設(shè)備等。

嵌入式系統(tǒng)：如智能手機(jī)、平板電腦、數(shù)字相機(jī)等。

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

醫(yī)療設(shè)備：用于醫(yī)療設(shè)備與計(jì)算機(jī)或其他設(shè)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(dòng)化和機(jī)器人控制中，USB接口芯片用于實(shí)現(xiàn)設(shè)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(biāo)準(zhǔn)化、高效的數(shù)據(jù)傳輸能力、靈活的電力供應(yīng)、易于擴(kuò)展和升級(jí)、豐富的外設(shè)支持、低功耗設(shè)計(jì)以及強(qiáng)大的軟件支持等。這些優(yōu)勢(shì)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(huì)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(jìn)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(hào)，以控制其他裝置（如鼠標(biāo)、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(biāo)準(zhǔn)，也是一種輸入輸出接口的技術(shù)規(guī)范，被廣泛地應(yīng)用于個(gè)人電腦和移動(dòng)設(shè)備等信息通訊產(chǎn)品，并擴(kuò)展至攝影器材、數(shù)字電視（機(jī)頂盒）、游戲機(jī)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(dāng)USB設(shè)備插入計(jì)算機(jī)或其他主機(jī)設(shè)備時(shí)，USB接口芯片會(huì)檢測(cè)到設(shè)備的插入，并向主機(jī)發(fā)送插入信號(hào)。主機(jī)在接收到插入信號(hào)后，會(huì)發(fā)送設(shè)備識(shí)別請(qǐng)求，芯片會(huì)根據(jù)請(qǐng)求返回設(shè)備的信息。之后，主機(jī)和設(shè)備之間會(huì)進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)傳輸和通信，芯片會(huì)負(fù)責(zé)處理和管理這些數(shù)據(jù)。當(dāng)設(shè)備被拔出時(shí)，芯片會(huì)向主機(jī)發(fā)送拔出信號(hào)，主機(jī)會(huì)斷開與設(shè)備的連接。

TTL電平、COMS電平、232電平、USB電平信號(hào)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(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)主機(jī)與USB設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。

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

USB功能設(shè)備芯片：主要負(fù)責(zé)USB接口的連接和中斷處理，以及各種USB設(shè)備的識(shí)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(shí)，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(shè)備類型。

數(shù)據(jù)傳輸速度：根據(jù)應(yīng)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(shè)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(shí)鐘、EEPROM等。

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不同設(shè)備之間USB通信方案選擇

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

而我們的單片機(jī)上的串行通信通過單片機(jī)的RXD、TXD、VCC、GND四個(gè)引腳，相應(yīng)電平邏輯遵照TTL原則。

當(dāng)然，新手小白買的學(xué)習(xí)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(yīng)接口也變成了USB接口；有些學(xué)習(xí)板上集成的是MAX232之類的TTL轉(zhuǎn)RS-232芯片，相應(yīng)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(shí)別，下面分類舉例：

情況1：PC機(jī)USB口與不帶電平轉(zhuǎn)換芯片的單片機(jī)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(jī)的USB接口，另一端有TXD、RXD、GND、5V、3.3V五個(gè)引腳，分別與單片機(jī)的RXD、TXD、GND、5V引腳相連，對(duì)于采用3.3V供電的單片機(jī)則把5V改為3.3V即可。該模塊核心就是一塊PL2303、CP2102芯片進(jìn)行USB與TTL電平的轉(zhuǎn)換。

情況2：PC機(jī)USB口與集成了USB轉(zhuǎn)TTL芯片的單片機(jī)通信

方法：直接用USB線連接即可，只是單片機(jī)上的USB接口形式有時(shí)會(huì)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(jī)USB口與集成了TTL轉(zhuǎn)RS-232芯片的單片機(jī)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(jī)DB9接口與不帶電平轉(zhuǎn)換芯片的單片機(jī)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(jī)DB9連接，一端是RXD、TXD、VCC、GND與單片機(jī)相應(yīng)引腳連接。其核心是一塊max232電平轉(zhuǎn)換芯片。

情況5：PC機(jī)DB9接口與成了USB轉(zhuǎn)TTL芯片的單片機(jī)通信

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

情況6：PC機(jī)DB9接口與成了RS-232轉(zhuǎn)TTL芯片的單片機(jī)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(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序哦！

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USB接口芯片的使用注意事項(xiàng)

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(hào)完整性：在PCB設(shè)計(jì)中注意USB信號(hào)線的布局和走線，避免信號(hào)干擾和衰減。

驅(qū)動(dòng)安裝：確保在使用前已安裝正確的驅(qū)動(dòng)程序，以避免設(shè)備無法識(shí)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(yīng)避免暴力操作，以免損壞接口或芯片。

靜電防護(hù)：在連接或斷開USB設(shè)備時(shí)，注意靜電防護(hù)，避免靜電對(duì)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(yīng)商A:沁恒微電子

1、產(chǎn)品能力

（1）選型手冊(cè)

PRODUCT_GUIDE.PDF

（2）主推型號(hào)1:CH340N

對(duì)應(yīng)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(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。以下是對(duì)CH340N的詳細(xì)介紹：

一、基本信息

品牌：WCH/沁恒

型號(hào)：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(shè)計(jì)。

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(qǐng)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(yīng)用或測(cè)試條件下的極限值），但在實(shí)際應(yīng)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(dá)100°C或更高（具體取決于不同來源的信息）。

三、應(yīng)用特點(diǎn)

外圍電路簡單：CH340N的應(yīng)用電路相對(duì)簡單，沒有冗余的復(fù)雜設(shè)計(jì)，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(duì)較低，符合當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)貿(mào)易趨勢(shì)。

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(shè)備中。

廣泛應(yīng)用：CH340N可廣泛應(yīng)用于便攜式低功耗產(chǎn)品、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、智能電表、商業(yè)機(jī)器人激光雷達(dá)等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)USB與串口之間的轉(zhuǎn)換。

四、使用注意事項(xiàng)

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(dǎo)致芯片損壞。

信號(hào)完整性：在PCB設(shè)計(jì)中注意USB信號(hào)線的布局和走線，避免信號(hào)干擾和衰減。

驅(qū)動(dòng)安裝：在使用前，確保已在上位機(jī)（如PC）上安裝了CH340N的驅(qū)動(dòng)程序，以便正確識(shí)別和使用設(shè)備。

靜電防護(hù)：在連接或斷開USB設(shè)備時(shí)，注意靜電防護(hù)，避免靜電對(duì)芯片造成損害。

五、應(yīng)用場(chǎng)景

便攜式低功耗產(chǎn)品：如智能手表、藍(lán)牙耳機(jī)等，CH340N可用于實(shí)現(xiàn)USB充電和調(diào)試功能。

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

智能電表：在智能電表中，CH340N可用于實(shí)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?wù)器。

商業(yè)機(jī)器人激光雷達(dá)：在商用機(jī)器人雷達(dá)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(shè)計(jì)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(lán)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(qiáng)大、易于使用且成本較低的USB轉(zhuǎn)串口芯片，在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。

硬件參考設(shè)計(jì)

研發(fā)設(shè)計(jì)注意使用事項(xiàng)

上圖是統(tǒng)一供電方式下MCU單片機(jī)通過TTL串口連接CH340芯片實(shí)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(shí)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(cè)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(hào)線都可以懸空。對(duì)于CH340C/N/K/E/X/B芯片，無需X6和C17及C18

核心料（哪些項(xiàng)目在用）

NB定位器traker,eSIM讀卡表控制板項(xiàng)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