串口芯片,是电子行业最常用的通讯接口。
无论是从事单片机、arm,还是fpga、dsp开发,都离不开串口!而且在一些银行、金融、证券、电信、工控的应用场合,还可能需要在一台主机上同时使用几十路串口! 如果你有高速、多串口的使用需求,除了使用pci/pcie多串口卡外,usb转多路串口也是一个不错的选择!
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沁恒微电子推出的ch348芯片,内置的480mbps高速usb phy,通过对收发器信号质量进行优化,对接收端灵敏度进行提升,可实现10米(usb-if标准为5米)传输距离,单芯片实现8路串口,每路串口可最高支持6m波特率,8路串口之间互相独立! 我有幸申请到这颗芯片的评估板,正好公众号也很久没发板卡评测相关的文章了,一起来看一下这款评估板吧!
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都有哪些内容?
ch348芯片特性
ch348评估板外设
ch348驱动安装和使用
ch348速度和稳定性测试
ch348应用电路
ch348官方资料
高速多串口为什么不能用全速模式?
1.ch348芯片特性
ch348是一款集成480mbps高速usb 2.0协议的接口芯片,可以实现单芯片转8路异步串口,可以在占用一个usb接口的情况下,扩展出8路串口。
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ch348具有如下特性:
480mbps高速usb 2.0标准设备接口
8路全双工标准串口,可以最高波特率连续无间隔的进行数据传输
波特率支持1200bps~6mbps,独立缓冲区,2kb接收fifo,1kb发送fifo
完整的modem联络信号,rts、dtr、dcd、ri、dsr、cts等
支持半双工,tnow管脚可用于485收发自动切换方向
串口io可独立供电,支持3.3v,2.5v,1.8v电源电压
内置eeprom,可配置芯片vid、pid、最大电流、厂商和产品信息等参数
单路3.3v主电源供电,外围电路简单,只需要阻容和晶体
支持最多48个gpio输入输出(ch348l)
接收波特率误差不大于2%,发送波特率误差小于1%
提供有tx_s和rx_s数据收发指示管脚,为200ms周期的脉冲信号
esd静电耐受电压,人体模式、非接触式,最大4kv
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ch348共分为ch348q和ch348l两种型号,两种型号的区别如下:
ch348q为lqfp48封装,ch348l为lqfp100封装,均为无铅封装,兼容rohs
ch348l芯片有两个电源端:vcc和vio,ch348q芯片仅有1个电源端vcc
ch348q 包含 4 组 cts/rts引脚和 4 组 dtr/tnow)引脚。
ch348l 包含 8 组 cts/rts/dsr/dcd/ri 引脚和 8 组 dtr/tnow引脚。
vcc是主电源输入端,vio是io引脚电源输入端,支持1.8/2.5/3.3v电源电压,用于匹配不同标准的串口电平,常用的单片机串口电平通常为3.3v,fpga芯片的管脚电平根据bank电压的不同,可分为1.8、2.5v等电平。 2.ch348评估板外设 我拿到的这款是ch348l评估板,整体小巧简洁,单手可掌握。评估板整体为蓝色pcb,采用双层pcb设计,尺寸大小约为70x80mm,所有的元器件都放置在同一面。
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2评估板基本外设:
ch348l芯片,集成480mbps高速usb2.0控制器,支持8路串口,最高6m波特率
8路串口全部通过排针引出,包括cts/rts、dtr/dsr等modem信号
板载vio选择排针,可选择3.3v或外接电源
板载电源、usb配置、收发指示灯,任意串口有数据时,收发指示灯会闪烁
usb接口采用方口usb-b接口
板载管脚复用选择cfg跳线,可以选择dtr/tnow/gpio功能
下面再来一起看一下评估板的细节实拍图!
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ttl串口排针接口
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8m晶体
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usb接口
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cfg配置管脚,可以配置dtr/tnow引脚的功能。
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3.ch348驱动安装和使用
第一次将评估板连接到电脑主机时,设备管理器里会显示一个带叹号的设备:wch usb => multi-serial,说明操作系统已经检测到了串口设备,但是还没有正常识别,我们需要安装ch348的驱动程序。
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到沁恒微电子官方网站ch348页面,可以下载ch348的驱动程序(下载链接在文末),下载完成之后,直接安装,在卡类型选项,选择“usb转多串口(usb1.1/2.0)”,点击安装驱动,等待安装完成! 驱动程序还支持pci转串并口芯片、pcie转串并口芯片、其他usb转多串口芯片。
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安装成功
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安装完成之后,断开评估板,重新连接到电脑。在设备管理器就可以看到8路串口设备了:
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8个com号和芯片的8路串口对应关系如下:cha对应评估板上的uart0,chh对应评估板上的uart7。 4.ch348速度和稳定性测试 驱动安装完成之后,就可以正常使用了,我们对ch348评估板的8路串口进行简单的速度和稳定性测试。 4.1 速度测试 根据ch348手册上的描述,8路串口支持的最高波特率是6mbps,即每一位的时间是166.6667ns,我们使用串口助手设定波特率为6mbps,然后发送字符串:ch348test,将串口的txd端连接到逻辑分析仪的一个采集通道上,通过查看采集到的波形时间宽度,就可以计算出串口发送的真实速度。 我手边只有一款la1002逻辑分析仪,采样率24mhz,对于我们本次测试足够了! 先将逻辑分析仪和评估板按照下图进行硬件连接,并把逻辑分析仪和评估板分别连接到电脑上,使用串口助手打开对应的串口通道,打开逻辑分析仪的上位机软件。
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由于串口发送的空闲状态为高电平,所以我们将触发模式设置为下降沿,采样率设置为最高24mhz,采样深度设置为20k,触发位置选择在50%,设置完成之后,点击启动单次采样,等待触发。 在串口助手界面,点击发送按钮,稍等片刻,就可以在逻辑分析仪上位机看到输出的波形了。
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使用时间测量工具,测量1个bit位的时间约为166.666667ns,说明ch348可以支持6mbps的发送,而且发送的波特率误差小于1%,精度高于手册上的描述!而且,通过添加串口解析协议,可以看出正确解析出了我们使用串口助手发送的字符串:ch348test。 6mbps的接收我们在下面的稳定性回环测试中进行。 4.2 稳定性测试 我们使用串口回环收发测试的方法,来测试ch348收发的稳定性,将评估板上的rxd和txd短接,上位机使用最高波特率6m,8路串口同时打开,同时进行发送和接收一定长度的字符串,测试一定数据量之后,看串口助手统计的收发字节数是否一致。
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测试条件如下:
windows 10家庭中文版操作系统
评估板上的8路串口rxd和txd,使用跳线帽进行短接
xcom v2.0串口助手,波特率6mbps
定时发送,周期1ms
8路串口同时打开,同时进行发送和接收
发送内容:ch348评估板收发测试1234567890abcdefghijklmnopqrstuvwxyz,
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收发约20万字节数据之后,可以看到8路串口,收发字节计数相等,无丢包现象,可以认为收发6mbps稳定。 也可以使用沁恒官方多串口调试助手,支持多窗口同时打开。
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使用互联串口数据测试功能,将两组串口互相交叉连接,同时测试8路串口的收发稳定性。
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5.ch348应用电路 ch348的典型应用电路非常简单,除了必要的阻容元件外,外部只需要提供8m晶体振荡电路。
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需要特别注意的几点:
芯片的usb引脚内部已经集成了串联匹配电阻,1.5k上拉电阻等,所以ud+和ud-引脚应该直接连接到usb接口上。
如果需要外加esd防护芯片,需要保证esd芯片的寄生电容小于2pf,推荐使用沁恒的ch412k芯片。
建议串口外设与ch348使用同一组电源,否则需要考虑分开供电时的io引脚倒灌电流问题。
更多的电路设计注意事项,可以查看ch348官方数据手册,里面介绍的很详细。 6.ch348官方资料 ch348配套的资料非常齐全,主要包括非常友好的中文数据手册,串口驱动程序,评估板资料,多串口调试助手,产品信息个性化配置工具等。
ch348数据手册(中文) http://www.wch.cn/downloads/ch348ds1_pdf.html
ch348评估板资料 http://www.wch.cn/downloads/ch348evt_zip.html
ch348驱动程序(windows和linux) http://www.wch.cn/downloads/usbmser_exe.html http://www.wch.cn/downloads/ch9344ser_linux_zip.html
多串口调试工具 http://www.wch.cn/downloads/comtransmit_zip.htm
ch348产品信息配置工具 http://www.wch.cn/downloads/ch34xsercfg_zip.html
需要注意的是,ch348 windows版本驱动程序,除了支持usb多串口芯片外,还支持pci和pcie多串口芯片。ch348 linux版本驱动程序和ch9344共用一个。 如果是大批量应用,芯片厂商信息vid和pid可以在出厂时定制,少量应用时,用户可以使用配置工具手动进行eeprom参数配置。
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如果有别的沁恒芯片需要技术支持或样片申请,也可以直接访问以下链接:
样片申请 http://www.wch.cn/services/request_sample.html
技术支持 http://www.wch.cn/contact_us.html
驱动和应用软件github仓库 https://github.com/wchsoftgroup
risc-v产品github仓库 https://github.com/openwch
另外ch348还支持在macos下使用,驱动程序可以访问上面的官方github仓库获取。 7.高速多串口为什么不能用全速模式? 可能有些读者注意到,标题和文章多处强调了:ch348是一款480mbps、高速usb 2.0的接口芯片。 这是因为,如果要想满足单路usb转8路串口,而且每路串口还要支持6mbps的波特率、连续无间隔传输,就必须用至少480mbps的高速usb! 我们先来进行一个简单的usb和串口的带宽计算: 全速usb的速度仅12mbps,而8路串口6mbps的最高带宽可达到6mbpsx8个串口x2个方向=96mbps,所以12mbps全速usb是不能满足需求的。 usb包,是usb 总线是数据传输的最小单位,由五部分组成:同步字段(sync)、包标识符字段(pid)、数据字段、循环冗余校验字段(crc)和包结尾字段(eop)。 因此实际有效的数据传输速度是要低于总线速度的。
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目前常用的usb转串口芯片,通常为全速模式,支持单路或双路串口,由于全速模式下带宽的限制,只能做到较少的串口和较低的波特率,如果要使用高速、多串口、无间隔传输,当所有串口通讯总速度超过全速usb协议速度,至少需要使用高速usb才能满足需求。 总结 总的来说,如果你既想要多串口,又想要较高的波特率,ch348绝对是一个不错的选择!操作系统兼容性方面,支持windows、linux、macos和android等常用平台,同时还保留有标准、完整的硬件流控信号,可以说作为一款usb转多串口芯片,该有的都有了! 当然,如果你不需要那么多的串口,只需要2路或4路串口,还有ch342/ch344/ch347/ch9344等多串口芯片可供选择,ch347除了支持usb转串口外,还支持转spi、i2c和jtag。
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