USB（TYPE-C）转串口（TTL）模块设计讲解

目录

一 、引言

二、方案设计

三、USB TYPE-C介绍

1、TYPE-C接口定义

        1、24P全引脚描述

        2、Type C 接口 VBUS/GND 作用

       3、Type C 接口 D+/D- 作用

        1、数据传输：

        2、设备识别：

        3、充电协议协商：

        4、Type C 接口 CC1/CC2 作用

        1、主从设备区分

        2、设备连接检测

        3、正反插确认

        4、USB PD 通信

        5、Type C 接口 SBU1/SBU2 作用

        6、Type C 接口 SSTX/SSRX 作用

2、TYPE-C接口特点   

        1、24P Type C

        2、16P/12P Type C

        3、6P Type C

3、TYPE-C引脚总结  

四、USB转UART芯片介绍

五、USB转UART电路设计

六、电路完成截图

七、文件下载链接

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一 、引言

        USB TYPE-C（简称：TYPE-C）是目前主流的连接端口，而在单片机的开发中，TTL信号更是必不可少的通讯方式，目前市场上也有着不少USB转串口的商品设计，低端的价格也相对亲民，而稍微高端的也会价格不菲。

        今天，我们来设计一款USB转TTL模块。

二、方案设计

        USB TYPE-C端口  +  四路串口输出

三、USB TYPE-C介绍

1、TYPE-C接口定义

        按以下视角引出端子定义

USB TYPE-C母口

USB TYPE-C公口

        

         从上图的 Type C 公头和母口的引脚排列可以知道 Type C 的引脚功能是中心对称的，所以公头无论以什么方向接入母口两者的功能引脚都可以完美对接。

        1、24P全引脚描述

Pin	名称	功能描述	Pin	名称	功能描述
A1	GND	地	B12	GND	地
A2	SSTXp1	SuperSpeed 差分信号 #1 的发送正端	B11	SSRXp1	SuperSpeed 差分信号 #1 的接收正端
A3	SSTXn1	SuperSpeed 差分信号 #1 的发送负端	B10	SSRXn1	SuperSpeed 差分信号 #1 的接收负端
A4	VBUS	总线电源	B9	VBUS	总线电源
A5	CC1	Configuration Channel 1，即 “配置通道 1”	B8	SBU2	Side Band Use 1，即辅助使用2
A6	Dp1	Data Positive 1,即 USB 2.0 差分信号 1 的正端	B7	Dn1	Data Negative 1,即 USB 2.0 差分信号 1 的负端
A7	Dn1	Data Negative 1,即 USB 2.0 差分信号 1 的负端	B6	Dp1	Data Positive 1,即 USB 2.0 差分信号 1 的正端
A8	SBU1	Side Band Use 1，即辅助使用1	B5	CC2	Configuration Channel 2，即 “配置通道 2”
A9	VBUS	总线电源	B4	VBUS	总线电源
A10	SSRXn2	SuperSpeed 差分信号 #2 的发送正端	B3	SSTXn2	SuperSpeed 差分信号 #2 的接收正端
A11	SSRXp2	SuperSpeed 差分信号 #2 的发送负端	B2	SSTXp2	SuperSpeed 差分信号 #2 的接收负端
A12	GND	地	B1	GND	地

       

        2、Type C 接口 VBUS/GND 作用

Pin	名称	功能描述	Pin	名称	功能描述
A1	GND	地	B12	GND	地
A4	VBUS	总线电源	B9	VBUS	总线电源
A9	VBUS	总线电源	B4	VBUS	总线电源
A12	GND	地	B1	GND	地

        GND大家都可以理解，而VBUS大家可能不常见，直接理解为电源VCC即可

       3、Type C 接口 D+/D- 作用

A6	Dp1	Data Positive 1,即 USB 2.0 差分信号 1 的正端	B7	Dn1	Data Negative 1,即 USB 2.0 差分信号 1 的负端
A7	Dn1	Data Negative 1,即 USB 2.0 差分信号 1 的负端	B6	Dp1	Data Positive 1,即 USB 2.0 差分信号 1 的正端

        在电子简称中，n是Negative缩写，意为负，p是 Positive的缩写，意为正。

        在 Type - C 接口里，D + 和 D - 属于 USB 2.0 的差分数据传输引脚，它们在数据传输和设备识别方面发挥着重要作用。

        差分信号传输是 D + 和 D - 的工作基础。差分信号传输是指通过两根信号线（即 D + 和 D - ）来传输幅度相同但相位相反的信号。接收端会对这两个信号的差值进行检测，以此来还原原始数据。这种传输方式具备很强的抗干扰能力，能够有效降低外部电磁干扰对信号传输的影响，进而保证数据传输的稳定性和准确性。

        主要功能        

        1、数据传输：

        D + 和 D - 主要用于 USB 2.0 协议的数据传输，其最高传输速率可达 480Mbps。在设备进行数据交换时，如电脑与 U 盘、手机与电脑之间传输文件，数据就会通过 D + 和 D - 这一对差分线进行传输。

        2、设备识别：

        在设备连接的初始阶段，主机通过检测 D + 和 D - 上的电平状态来识别设备的类型和模式。例如，在 USB 通信中，当设备插入主机时，主机通过检测 D + 和 D - 引脚的上拉电阻情况来判断设备是高速设备、全速设备还是低速设备。对于全速设备，D + 上有一个 1.5kΩ 的上拉电阻；而对于低速设备，D - 上有一个 1.5kΩ 的上拉电阻。主机根据检测到的上拉电阻位置来确定设备的速度类型，并相应地调整通信参数。

        3、充电协议协商：

        某些充电协议也会利用 D + 和 D - 进行通信，以协商充电电压和电流。例如，在一些手机充电过程中，充电器和手机会通过 D + 和 D - 交换信息，以确定合适的充电参数，实现快速充电功能。

典型应用

        4、Type C 接口 CC1/CC2 作用

A5	CC1	Configuration Channel 1，即 “配置通道 1”
			B5	CC2	Configuration Channel 2，即 “配置通道 2”

        CC1 是 “Configuration Channel 1” 的缩写，即 “配置通道 1”。在 Type - C 接口中，CC1 引脚与 CC2 引脚共同承担着配置通道的功能，用于主从设备区分（确定数据传输方向）、检测设备连接、设备角色识别以及 USB PD 通信等。

        1、主从设备区分

        做主机时，CC1、CC2接上拉电阻VBUS。

        做从机时，CC1、CC2接5.1K电阻接地。

        主设备的 CC 引脚通过上拉电阻 Rp 连接到 VBUS，标识其供电能力。例如，常见的电阻值 56kΩ/22kΩ 可表示不同的电流能力。

        从设备的 CC 引脚则通过下拉电阻 Rd 连接到 GND，标识其受电需求，通常下拉电阻 Rd 为 5.1kΩ。

        需要说明的一点时，并非所有设备主机、从机设备都是固定的，有一种双角色端口，其 CC 引脚能够动态切换上拉电阻 Rp 和下拉电阻 Rd 的状态。在初始连接时，设备会随机确定一个初始角色（主或从），并通过 CC 引脚的电平状态来告知对方。之后，设备之间可以通过 USB PD 协议进行协商，根据实际需求动态切换主从角色。例如，手机在连接充电器时作为 从设备，接收充电，当手机通过 OTG 线连接 U 盘时，手机可通过 CC 引脚切换为 主设备，为 U 盘供电并读取数据。

        2、设备连接检测

        以手机及充电器为例：未连接时，充电器的 VBUS 无输出，CC 引脚由于上拉电阻处于高电平。当手机通过 CC 引脚与充电器 连接后，充电器 的 CC 引脚会检测到手机的下拉电阻 Rd，使得 CC 引脚电平被拉低。充电器检测到 CC 引脚电平变化，就知道有设备连接上了，从而打开 Vbus 电源开关，输出电源给手机。

        

        3、正反插确认

        在母口的端子中，可以看到引脚是中心对称的，但是对于TYPE-C的公口来说，却不是完全中心对称，少了B6、B7引脚功能，所以实际来说，TYPE-C的公头正插与反插是有区别的。

         依旧以手机充电为例，当手机处于充电状态扮演从机角色时，若手机内部 CC 引脚下拉导致充电器的 CC1 引脚被拉低，意味着手机的 Type - C 接口是向上插入；反之，若充电器检测到CC2 引脚被拉低，则表明手机的 Type - C 接口是向下插入。这样可以确定接口插入的方向。  

        4、USB PD 通信

        CC1/CC2 引脚是 USB PD（Power Delivery）协议通信的线路之一，通过该引脚，设备之间可以进行电源相关的信息交互，如协商供电电压、电流等参数，以实现快速充电或其他功率传输功能，实现负载的功能配置。

     

        5、Type C 接口 SBU1/SBU2 作用

			B8	SBU2	Side Band Use 1，即辅助使用2
A8	SBU1	Side Band Use 1，即辅助使用1

        SBU1/SBU2 主要用于支持附加功能。

        音频信号传输：在模拟音频耳机附件模式下，SBU1 可作为麦克风信号传输通道，将音频信号从设备传输到外部音频设备。在 DP Alt Mode 模式下进行 DP 信号传输时，SBU 引脚可作为音频传输通道，传输音频信号。

        视频信号相关：在 DisplayPort 替代模式中，SBU1 和 SBU2 可用于传输 DisplayPort 协议中的辅助信号，如音频信号、热插拔检测信号等，以实现高清视频输出及相关功能的协同工作。

        设备连接与配置：SBU1 和 SBU2 在连接 Type - C 设备时参与建立连接，并在设备之间传输信息。例如，SBU1 可发出电压波形，以确定设备的电源和数据协议，SBU2 则用于接收电源和数据协议的信息，使设备能够进行正确的配置。

        6、Type C 接口 SSTX/SSRX 作用

A2	SSTXp1	SuperSpeed 差分信号 #1 的发送正端	B11	SSRXp1	SuperSpeed 差分信号 #1 的接收正端
A3	SSTXn1	SuperSpeed 差分信号 #1 的发送负端	B10	SSRXn1	SuperSpeed 差分信号 #1 的接收负端
A10	SSRXn2	SuperSpeed 差分信号 #2 的发送正端	B3	SSTXn2	SuperSpeed 差分信号 #2 的接收正端
A11	SSRXp2	SuperSpeed 差分信号 #2 的发送负端	B2	SSTXp2	SuperSpeed 差分信号 #2 的接收负端

        SSTXp1 是 “SuperSpeed Transmitter Pair 1, Positive” 的缩写，即 “超高速发送器差分信号对 1，正端”。

        在数据传输过程中，SSRXp1 和对应的负信号引脚（如 SSRXn1）共同组成差分信号对，它主要用于高速数据传输，在 USB 3.1 及更高版本的协议中发挥着重要作用，负责将设备内部的高速数据以差分信号的形式发送出去，以实现快速的数据传输，比如在连接外部存储设备、显示器或进行大文件传输时，能确保数据的高效、稳定传输。

2、TYPE-C接口特点   

        Type C 接口实际上为了适应不同的用途，按功能需求进行划分从而拥有多个版本。

        1、24P Type C

        全功能 USB3.0/3.1、USB2.0、音视频传输，上述我们说的引脚定义 指的就是 24P 全功能 Type C。

        2、16P/12P Type C

        支持 USB2.0，也能支持 PD 快充、音频设备、HDMI 传输、调试模式等功能，但相比 24P 接口，功能的完整性和性能会受到一定限制。。

        TYPE - C 的 16P 和 12P 在本质上没有太大区别，通常可认为是同一种接口的不同称呼。

        16P 一般是接口厂家、封装的正式名称。在单排 16P 的 TYPE - C 母座中，头尾开始的 4 引脚 Pin 针分别是两两相连的，从外观上看好像是 12Pin 针，所以日常生活中习惯称呼为 12P。

        16P 和 12P 的 TYPE - C 接口都是在 24P 全功能版本的基础上进行了简化。它们移除USB3.0 的 TX1/2、RX1/2 引脚，保留了 SBU1/2、CC1/2、USB2.0 的 D + 和 D - 引脚。这意味着它们支持基本的充电和 USB2.0 数据传输功能，但不支持 USB3.0/3.1 高速数据传输。

        3、6P Type C

        仅支持充电。

        6P 接口仅保留了 Vbus（电源总线）、GND（接地）、CC1（配置通道 1）、CC2（配置通道 2）引脚，主要支持大电流充电，不具备数据传输功能。

        支持 PD 快充协议：CC1 和 CC2 引脚用于 PD 设备识别，承载 USB - PD 的通信，以向供电端请求电源供给，可输出电压可调，最大传输 5A - 20V 共 100W 的功率。借助 USB - PD 协议，用电端能方便地从供电端取电。

3、TYPE-C引脚总结  

电源引脚：VBUS与GND

        VBUS：电源总线引脚，共有两对。用于为设备传输电源，能提供不同的电压等级（如 5V、9V、12V、15V、20V 等），具体取决于所支持的 USB Power Delivery（PD）协议。

        GND：接地引脚，同样有两对。

数据传输引脚：USB 2.0 数据引脚与USB 3.1 数据引脚

        USB 2.0 数据引脚

        D+、D -：这是一对差分信号引脚，用于实现 USB 2.0 协议的数据传输，最高传输速率可达 480Mbps。在一些对数据传输速率要求不高的设备连接中广泛应用，如鼠标、键盘等。

        USB 3.1 数据引脚

        TX1+、TX1 - 、TX2+、TX2 -：分别为两对发送差分信号引脚，用于高速数据的发送。

        RX1+、RX1 - 、RX2+、RX2 -：是两对接收差分信号引脚，用于高速数据的接收。这些引脚共同支持 USB 3.1 Gen 2 协议，最高传输速率可达 10Gbps，满足如移动硬盘、高速闪存等设备的高速数据传输需求。

配置与检测引脚：CC1、CC2与SBU1、SBU2

        CC1、CC2：配置通道引脚，主要用于设备的连接检测、正反插识别、功率传输协商以及 USB PD 协议的通信。例如，当设备连接时，通过检测 CC 引脚的电平状态和电阻值，来确定设备的角色（如主机、从机）、支持的功率等级等信息。

        SBU1、SBU2：辅助信号引脚，在不同的应用场景下有不同的功能。可用于支持音频、视频等其他功能。

        在 Type - C 接口中，D + 和 D - 通常与其他引脚协同工作。

四、USB转UART芯片介绍

        我们选用X宝上这款使用的CH348Q芯片，

        CH348是一款高速USB总线的转接芯片，实现USB转八个异步串口UART0/1/2/3/4/5/6/7功能，用于为计算机扩展异步串口，或者将普通的串口设备或者MCU直接升级到USB总线。

        CH348分为CH348Q与CH348L,对应封装分别为LQFP48和LQFP100。

        在CH348Q数据手册中，提供了典型电路应用设计图，该电路中，采用6P的USB TYPE-C接口，使用AMS1117 - 3.3 线性稳压器将TYPE-C输入的5V电压转换为CH348Q所需要的3.3V电源电压，并提供了晶振电路，复位电路的设计，最终引出了8个端子，用于8路串口输出。     

        在这里，我们需要注意的是对于输出串口UART0\1\2\3与输出串口UART4\5\6\7略微有些区别。

        对于UART0~UART3,芯片CH348Q分别为串口提供了额外的3个引脚，RTS、CTS、DTR。

        RTS（Request To Send）

        功能概述：RTS 即请求发送，是一个输出信号引脚。当设备想要向外部发送数据时，会通过将 RTS 引脚置为有效电平（通常为低电平）来向接收方发出请求发送数据的信号。这是一种发送方主动发起的请求机制，用于告知接收方自己有数据准备发送。

        应用场景：在串口通信中，当发送设备有数据要发送时，先将 RTS 引脚置为有效，等待接收方的响应信号（CTS），只有在接收到接收方允许发送的信号后，才开始发送数据。这样可以避免接收方因缓冲区已满而无法接收数据，导致数据丢失的情况发生。

        CTS（Clear To Send）

        功能概述：CTS 即允许发送，是一个输入信号引脚。接收方通过检测 RTS 引脚的状态，当检测到发送方发出的请求发送信号（RTS 有效）时，会检查自身的接收缓冲区是否有足够的空间来接收新的数据。如果有足够的空间，接收方会将 CTS 引脚置为有效电平（通常为低电平），表示允许发送方发送数据。

        应用场景：在发送方收到接收方的 CTS 有效信号后，才会开始将数据发送出去。如果接收方的缓冲区已满，CTS 引脚会保持无效状态，发送方则会暂停发送数据，直到接收到有效的 CTS 信号为止。

        DTR（Data Terminal Ready）

        功能概述：DTR 即数据终端准备好，是一个输出信号引脚。该引脚用于表示设备的数据终端（如计算机）是否已经准备好进行通信。当设备的数据终端准备好时，会将 DTR 引脚置为有效电平（通常为低电平），告知外部设备可以进行数据通信。

        应用场景：在一些设备中，DTR 信号可以用于控制外部设备的电源或复位。例如，当计算机通过串口与外部设备通信时，计算机可以通过控制 DTR 引脚的电平来开启或关闭外部设备的电源，或者对外部设备进行复位操作。

        RTS/CTS 和 DTR 用于硬件流控制，以确保数据在发送和接收过程中的可靠性。

        为了避免各位对这几位引脚产生误解，我们以单片机STM32F103为例对于接线来进行讲解。

        首先是电源引脚，VDDA与VSSA是单片机STM32的数字电源供电引脚。

        若使用 USART1 进行通信，STM32F103其 TX 引脚为 PA9，RX 引脚为 PA10 ,而大家也都知道，一个设备的发要接另一个设备的收，故此，完成TX与RX的接线。

        RTS 是请求发送信号，是输出信号。STM32 的串口有对应的 RTS 引脚，如 USART1 的 RTS 引脚是 PA12 。将外部设备的 CTS 引脚连接到 STM32F103C8T6 的 PA12 引脚。

        CTS 是允许发送信号，是输入信号。USART1 的 CTS 引脚是 PA11 。把外部设备的 RTS 引脚连接到 STM32F103C8T6 的 PA11 引脚。

        DTR 是数据终端准备好信号，一般作为输出信号。在 STM32 中没有专门的 DTR 硬件引脚，但可以使用一个通用 GPIO 引脚来模拟该功能。例如，选择 PA8作为模拟 DTR 引脚，将其连接到外部设备的 DTR 接收引脚。

        至此也以完成一个串口通讯的连接，CH348Q原理图中的UART0、UART1、UART2、UART3便是此种连接方式。

        但我想提的是，RTS、CTS、DTR这三种引脚并不是UART0、UART1、UART2、UART3通讯不可或缺的引脚，只有TX、RX引脚，与供电引脚才是必要引脚。

        所以在原理图中，UART0、UART1、UART2、UART3是可以像UART4、UART5、UART6、UART7引脚一样，只引出四个引脚一样正常工作，实际上大多数情况下这三种端子也用不到，只是对于已提供了硬件控制流功能的端子，大家可以将端子引出以备用。

        

        接下来，我们对2号引脚CFG进行解释；

        CFG是一个配置引脚，用于控制上述中DTR引脚，上述中的DTR引脚在电路图中全称是DTR/TNOW，顾名思义，这类引脚是有两种模式的，一种是DTR模式，一种是TNOW模式。

        DTR（Data Terminal Ready，数据终端准备好）引脚，用于表示数据终端设备是否准备好进行数据通信。

        TNOW 引脚，支持半双工，可用于控制 RS485 收发切换，也可作为普通 GPIO 引脚使用。

        上电期间，CFG引脚接高电平或悬空，则所有DTRx/TNOWx引脚配置成TNOW功能；CFG 引脚接低电平，则所有DTRx/TNOWx引脚默认配置成DTR功能。

        接下来，我们对44号引脚TEST进行解释：

        内部测试引脚，建议对地接1个下拉电阻 (通常4.7KΩ)或直接接地。

        接下来，我们对14号引脚ACT进行解释：

        USB 配置完成状态输出，低电平有效。

        接下来，我们对7号引脚RESET进行解释：

        外部复位输入端，低电平有效，内置上拉电阻

        接下来，我们对12、13号引脚XI、XO进行解释：

        CH348 芯片内置了电源上电复位电路，芯片正常工作时需要外部向XI引脚提供8MHz时钟信号， 时钟信号可通过CH348内置的反相器通过晶体稳频振荡产生。外围电路需要在XI和XO引脚之间连接 一个8MHz晶体，XI和XO引脚对地接20/22pF左右的振荡电容。

        以上完成，我们对电路开始设计。

五、USB转UART电路设计

        电源方面，设计了三种方案，

        电源模块：可靠省事、价格略贵。

        LDO：价格便宜、省事。

        BUCK降压：可输出较大功率。

        都能正常使用，各有优缺点，各位可以自行选用，本次选用了LDO方案。

        在CH348Q芯片附近，主要有复位电路，晶振电路，上述已提，不再赘述。

        对于CFG引脚，各位可以直接使用下拉电阻接地，也可以如图上使用2P的排针，若需要接地，可使用跳线帽直接短接，方便。

        对于TEST引脚，直接对地接1个下拉电阻。

        最后对于输出的串口，并未将8个串口全部引出，看各人需要，本次只引出4个串口。

        对于ACT引脚，当USB配置完成后为低电平，此时LED2点亮，其余收发指示灯不再赘述。

六、电路完成截图

七、文件下载链接

        上述文件，源文件已导出，上传在本人的资源中，可免费下载

【免费】基于TYPE-C与CH348Q的USB转串口方案：串口一拖四资源-CSDN文库

因为在绝大多数情况下，历史没有正恶，只有成败！！！！！

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