2025年Make Blocks –阶段1：USB 转 UART 适配器

内容介绍

我选择的项目是设计一款USB转UART的适配器，基于cp2102n

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

DigiKey官网的链接：https://www.digikey.cn/zh/products/detail/silicon-labs/CP2102N-A02-GQFN20/9863475

一、任务介绍

本次任务旨在设计一款基于 CP2102N 芯片的 USB 转 UART 适配器。该适配器能够实现 USB 接口与 UART 接口之间的数据转换，可广泛应用于嵌入式系统开发、设备调试、数据通信等场景。通过设计此适配器，深入理解 USB 转 UART 的工作原理、电路设计方法以及相关元器件的选型与应用。

二、设计的模块介绍

（一）主要芯片选择、功能和应用

CP2102N 芯片
- 选择原因：CP2102N 是 Silicon Labs 公司推出的一款高度集成的 USB 转 UART 桥接器，它具有体积小、功耗低、兼容性好等优点，支持 USB 2.0 全速模式，能够方便地实现 USB 接口与 UART 接口之间的数据传输，广泛应用于各种嵌入式设备和电子系统中。
- 功能：实现 USB 到 UART 的双向数据转换，支持多种波特率设置，内置电源管理功能，可通过 USB 总线供电。
- 应用：常用于 Arduino 开发板、树莓派等嵌入式平台的串口通信扩展，以及各种需要通过 USB 接口进行串口数据传输的设备，如智能家居设备、工业控制设备等。
其他主要元器件
- USB Type-C 连接器（TE Connectivity 1562511-1）：用于实现与 USB 设备的连接，支持 USB 2.0 数据传输和电源供应。
- 电阻电容：用于电路的信号匹配、滤波、电源稳压等功能，保证电路的稳定性和可靠性。
- LED 指示灯：用于指示电源和数据传输状态，方便用户了解适配器的工作情况。

（二）原理图和 PCB 模块设计介绍

原理图设计
- 原理图清晰地展示了各元器件之间的连接关系。USB Type-C 连接器的 VBUS 引脚连接到 CP2102N 的 VBUS 引脚，为芯片提供 + 5V 电源；D + 和 D - 引脚分别连接到 CP2102N 对应的 USB 数据引脚，用于传输 USB 2.0 数据信号。CP2102N 的 UART 接口引脚引出作为 UART 信号线，通过上拉或下拉电阻将信号电平配置为合适的电压。电源电路部分，CP2102N 通过片上稳压器输出 3.3V 电压，+5V 电源直接从 USB Type-C 连接器的 VCC 引脚获取，GND 连接到 CP2102N 的 GND 引脚，并作为整个电路的接地端。复位电路部分，CP2102N 的 RST 引脚通过外部上拉电阻连接到 3.3V 电源，实现复位功能。
- 原理图截图：
PCB 设计
- PCB 设计采用了合理的布局和布线策略。将 USB 接口、CP2102N 芯片、电源电路、复位电路等模块进行了合理分区，以减少信号干扰。USB 差分信号线 D + 和 D - 进行了等长布线，以保证信号的完整性。电源线路采用了较宽的走线，以降低电源阻抗。同时，在 PCB 上布置了足够的过孔，以增强接地和散热性能。
- PCB 截图：

（三）模块主要性能指标和管脚定义

性能指标
- 电源电压：USB 总线供电，输入电压为 + 5V，输出 3.3V 电源。
- 工作温度：-40℃至 + 85℃。
管脚定义
- CP2102N 芯片管脚：
- - VBUS：USB 总线电源输入引脚。
  - DM、DP：USB 差分数据输入 / 输出引脚。
  - VDD：3.3V 电源输出引脚。
  - TXD、RXD：UART 发送和接收数据引脚。
  - RTS、CTS：UART 请求发送和清除发送引脚。
  - RST：复位引脚。
- USB Type-C 连接器管脚：
- - VBUS：电源引脚，提供 + 5V 电压。
  - D+、D-：USB 差分数据引脚。
  - GND：接地引脚。

三、eZ-PLM 上新建物料和项目的截图 + 介绍

新建物料
- 在 eZ-PLM 系统中，通过 “新建” 功能创建了各个元器件的物料信息，包括物料名称、型号、规格描述、制造商等。例如，创建了 CP2102N 芯片的物料，型号为 CP2102N-A02-GQFN20，规格描述为 USB 转 UART 桥接器等。
- 新建物料截图：
新建项目
- 新建了基于 CP2102N 的 USB 转 UART 适配器项目，在项目中添加了相关的物料清单（BOM），并对项目进行了分类和描述。
- 新建项目截图：

四、心得体会

（一）意见或建议

在电路设计过程中，应更加注重信号完整性和电源完整性的设计，进一步优化 PCB 布局和布线，以提高适配器的性能和稳定性。
可以考虑增加更多的保护电路，如过流保护、过压保护等，以增强适配器的可靠性和安全性。
在元器件选型时，应充分考虑成本因素，在满足性能要求的前提下，选择性价比更高的元器件。

（二）总结

通过本次基于 CP2102N 的 USB 转 UART 适配器设计，我深入学习了 USB 转 UART 的工作原理和电路设计方法，掌握了相关元器件的选型和应用技巧。在设计过程中，遇到了一些问题，如信号干扰、电源噪声等，但通过查阅资料、分析问题并进行优化设计，最终解决了这些问题。同时，在 eZ-PLM 系统中进行物料和项目的管理，也让我熟悉了产品生命周期管理的流程和方法。本次设计不仅提高了我的专业技能，还培养了我的问题解决能力和工程实践能力，为今后的学习和工作打下了坚实的基础。