2025 Make Blocks第二期阶段1

内容介绍

任务介绍

设计一款USB转UART的适配器

采用USB Type-C连接器，支持USB2.0数据传输

板卡尺寸：小于35mmx18mm

包含信号：UART信号线、+5V、+3.3V、GND

主要器件：需在DigiKey官网上有货且正常售卖

请注意：PCB设计工具需用KiCad（官方邮件赠送了课程），或最终提交的文件需是KiCad文件，详见大赛主页阶段1要求和项目提交内容。

模块介绍

USB 转 UART 主要由 USB Type-C 接口（USB1）、CP2102-GMR 芯片（U1）、连接器（H2）以及若干电阻和 LED 组成。USB1 作为输入接口，其相关引脚与 CP2102-GMR 芯片的对应引脚相连，用于传输 USB 数据和供电。CP2102-GMR 芯片是核心转换芯片，实现 USB 协议与 UART 协议的转换，它与连接器 H2 通过特定引脚相连，以传输 UART 数据。电阻在电路中起到限流等作用；LED用于指示电路的工作状态，像数据传输、电源等状态。

工作时，USB 端的数据通过 USB1 输入到 CP2102-GMR 芯片，经芯片转换为 UART 数据后，由连接器 H2 输出到 UART 设备；同时，UART 设备的数据也可通过 H2 输入到芯片，转换为 USB 数据后由 USB1 输出。整个电路通过各元件的协同工作，完成 USB 与 UART 之间的数据转换和传输功能。

原理图和PCB介绍

模块性能和管脚定义

CP2102-GMR 芯片

实现 USB 接口与 UART 接口之间的数据转换，能够将计算机通过 USB 传输的数据转换为 UART 格式，以便与单片机等 UART 设备通信，反之亦然。

管脚定义：
- 电源相关：
- - VCC5：5V 电源输入引脚，用于为芯片提供外部电源。
  - VCC3.3：3.3V 电源输出引脚，可为外部 3.3V 供电的设备提供电源。
  - REGIN：电压调节输入引脚，与外部电容配合稳定内部电源。
- USB 数据相关：
- - DP、DN：差分数据引脚，用于接收来自 USB 接口的差分数据信号。
- UART 数据相关：
- - TXD：发送数据引脚，用于向外部 UART 设备发送数据。
  - RXD：接收数据引脚，用于接收外部 UART 设备发送的数据。
- 其他控制引脚：
- - SUSPEND：挂起信号引脚，用于指示芯片进入或退出挂起模式。
  - DCD：数据载波检测引脚，可用于检测数据传输的状态。
  - RTS：请求发送引脚，用于 UART 发送数据的流控制。
  - CTS：清除发送引脚，与 RTS 配合实现 UART 数据传输的硬件流控制。
  - DTR：数据终端准备好引脚，用于指示 UART 设备是否准备好接收数据。
  - DSR：数据装置准备好引脚，反馈外部设备是否准备好接收数据。

USB Type-C 接口（TYPE-C 16PIN ）

采用 Type-C 接口，支持正反插，使用方便；符合 USB 3.1 协议标准，具备较高的数据传输速度。电源可达 3A ，可以为连接的设备提供一定功率的电源。16 个引脚触点，除了数据传输和电源引脚外，还具备一些配置和检测功能引脚，以支持更灵活的连接和设备识别。

管脚定义：
- 电源相关：
- - VCC5：5V 电源输出引脚，用于为外部设备供电。
  - GND：接地引脚，提供电气参考地。
- 数据传输相关：
- - DP1、DN1、DP2、DN2：差分数据引脚，用于传输 USB 数据信号。
- 其他引脚：
- - SBU1、SBU2：配置通道引脚，用于一些特定的功能配置和检测。
  - CC1、CC2：配置通道引脚，用于检测连接方向、设备身份以及电源协商等功能。

连接器

采用 2x4 针脚的弯插式设计，间距 2.54mm，方便在 PCB 上进行焊接和与外部设备连接。能稳定传输 UART 信号，具备一定的额定电流承载能力，可满足一般 UART 设备的数据传输需求。一般可在 -40°C 到 +105°C 左右的温度区间内正常工作。

管脚定义：
- 数据传输引脚：
- - TXD：连接到 CP2102-GMR 芯片的 UART 发送引脚，用于将芯片转换后的 UART 数据发送到外部设备。
  - RXD：连接到 CP2102-GMR 芯片的 UART 接收引脚，用于接收外部设备发送的 UART 数据并传输给芯片。
  - RTS、DTR：连接到 CP2102-GMR 芯片对应的控制引脚，用于 UART 数据传输的流控制和设备状态指示。

其他元件（电阻、LED）

电阻：图中的电阻（如 R1、R2 等），主要起限流作用，防止过大电流损坏芯片或 LED 等元件。例如，与 LED 串联的电阻，可将电流限制在 LED 的额定工作电流范围内，保证 LED 正常发光且不被烧毁。
LED：LED（如 LED1 - LED6）主要用于指示电路的工作状态，如电源通断、数据发送、数据接收等。当对应引脚有信号变化或处于特定状态时，LED 会点亮，方便用户直观了解电路的工作情况。

ezplm项目和物料

主要元件官网链接：

https://www.digikey.cn/zh/products/detail/silicon-labs/CP2102N-A02-GQFN28R/9863480

https://www.digikey.cn/zh/products/detail/amphenol-cs-fci/10155435-00011LF/11602060

https://www.digikey.cn/zh/products/detail/samtec-inc/TD-104-T-A/1105554

心得体会

这次的内容相较于上一次简单一些，我参考了一些开源项目完成了这个任务