USB（TYPE-C）轉串口（TTL）模塊設計講解

一、引言

二、方案設計

三、USB TYPE-C介紹

1、TYPE-C接口定義

? ? ? ? 1、24P全引腳描述

? ? ? ? 2、Type C 接口 VBUS/GND?作用

? ? ? ?3、Type C 接口 D+/D- 作用

? ? ? ? 1、數據傳輸：

? ? ? ? 2、設備識別：

? ? ? ? 3、充電協議協商：

? ? ? ? 4、Type C 接口 CC1/CC2 作用

? ? ? ? 1、主從設備區分

? ? ? ? 2、設備連接檢測

? ? ? ? 3、正反插確認

? ? ? ? 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接口特點? ?

? ? ? ? 1、24P Type C

? ? ? ? 2、16P/12P Type C

? ? ? ? 3、6P Type C

3、TYPE-C引腳總結??

四、USB轉UART芯片介紹

五、USB轉UART電路設計

六、電路完成截圖

七、文件下載鏈接

一、引言

? ? ? ? USB TYPE-C（簡稱：TYPE-C）是目前主流的連接端口，而在單片機的開發中，TTL信號更是必不可少的通訊方式，目前市場上也有著不少USB轉串口的商品設計，低端的價格也相對親民，而稍微高端的也會價格不菲。

????????今天，我們來設計一款USB轉TTL模塊。

二、方案設計

? ? ? ? USB TYPE-C端口? +? 四路串口輸出

三、USB TYPE-C介紹

1、TYPE-C接口定義

????????按以下視角引出端子定義

USB TYPE-C母口

USB TYPE-C公口

? ? ? ??

?????????從上圖的 Type C 公頭和母口的引腳排列可以知道 Type C 的引腳功能是中心對稱的，所以公頭無論以什么方向接入母口兩者的功能引腳都可以完美對接。

? ? ? ? 1、24P全引腳描述

Pin	名稱	功能描述	Pin	名稱	功能描述
A1	GND	地	B12	GND	地
A2	SSTXp1	SuperSpeed 差分信號 #1 的發送正端	B11	SSRXp1	SuperSpeed 差分信號 #1 的接收正端
A3	SSTXn1	SuperSpeed 差分信號 #1 的發送負端	B10	SSRXn1	SuperSpeed 差分信號 #1 的接收負端
A4	VBUS	總線電源	B9	VBUS	總線電源
A5	CC1	Configuration Channel 1，即 “配置通道 1”	B8	SBU2	Side Band Use 1，即輔助使用2
A6	Dp1	Data Positive 1,即 USB 2.0 差分信號 1 的正端	B7	Dn1	Data Negative 1,即 USB 2.0 差分信號 1 的負端
A7	Dn1	Data Negative 1,即 USB 2.0 差分信號 1 的負端	B6	Dp1	Data Positive 1,即 USB 2.0 差分信號 1 的正端
A8	SBU1	Side Band Use 1，即輔助使用1	B5	CC2	Configuration Channel 2，即 “配置通道 2”
A9	VBUS	總線電源	B4	VBUS	總線電源
A10	SSRXn2	SuperSpeed 差分信號 #2 的發送正端	B3	SSTXn2	SuperSpeed 差分信號 #2 的接收正端
A11	SSRXp2	SuperSpeed 差分信號 #2 的發送負端	B2	SSTXp2	SuperSpeed 差分信號 #2 的接收負端
A12	GND	地	B1	GND	地

? ? ? ?

? ? ? ? 2、Type C 接口 VBUS/GND?作用

Pin	名稱	功能描述	Pin	名稱	功能描述
A1	GND	地	B12	GND	地
A4	VBUS	總線電源	B9	VBUS	總線電源
A9	VBUS	總線電源	B4	VBUS	總線電源
A12	GND	地	B1	GND	地

? ? ? ? GND大家都可以理解，而VBUS大家可能不常見，直接理解為電源VCC即可

? ? ? ?3、Type C 接口 D+/D- 作用

A6	Dp1	Data Positive 1,即 USB 2.0 差分信號 1 的正端	B7	Dn1	Data Negative 1,即 USB 2.0 差分信號 1 的負端
A7	Dn1	Data Negative 1,即 USB 2.0 差分信號 1 的負端	B6	Dp1	Data Positive 1,即 USB 2.0 差分信號 1 的正端

? ? ? ? 在電子簡稱中，n是Negative縮寫，意為負，p是?Positive的縮寫，意為正。

????????在 Type - C 接口里，D + 和 D - 屬于 USB 2.0 的差分數據傳輸引腳，它們在數據傳輸和設備識別方面發揮著重要作用。

????????差分信號傳輸是 D + 和 D - 的工作基礎。差分信號傳輸是指通過兩根信號線（即 D + 和 D - ）來傳輸幅度相同但相位相反的信號。接收端會對這兩個信號的差值進行檢測，以此來還原原始數據。這種傳輸方式具備很強的抗干擾能力，能夠有效降低外部電磁干擾對信號傳輸的影響，進而保證數據傳輸的穩定性和準確性。

????????主要功能? ? ? ??

? ? ? ? 1、數據傳輸：

????????D + 和 D - 主要用于 USB 2.0 協議的數據傳輸，其最高傳輸速率可達 480Mbps。在設備進行數據交換時，如電腦與 U 盤、手機與電腦之間傳輸文件，數據就會通過 D + 和 D - 這一對差分線進行傳輸。

? ? ? ? 2、設備識別：

????????在設備連接的初始階段，主機通過檢測 D + 和 D - 上的電平狀態來識別設備的類型和模式。例如，在 USB 通信中，當設備插入主機時，主機通過檢測 D + 和 D - 引腳的上拉電阻情況來判斷設備是高速設備、全速設備還是低速設備。對于全速設備，D + 上有一個 1.5kΩ 的上拉電阻；而對于低速設備，D - 上有一個 1.5kΩ 的上拉電阻。主機根據檢測到的上拉電阻位置來確定設備的速度類型，并相應地調整通信參數。

? ? ? ? 3、充電協議協商：

????????某些充電協議也會利用 D + 和 D - 進行通信，以協商充電電壓和電流。例如，在一些手機充電過程中，充電器和手機會通過 D + 和 D - 交換信息，以確定合適的充電參數，實現快速充電功能。

典型應用

? ? ? ? 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” 的縮寫，即 “配置通道 1”。在 Type - C 接口中，CC1 引腳與 CC2 引腳共同承擔著配置通道的功能，用于主從設備區分（確定數據傳輸方向）、檢測設備連接、設備角色識別以及 USB PD 通信等。

? ? ? ? 1、主從設備區分

? ? ? ? 做主機時，CC1、CC2接上拉電阻VBUS。

????????做從機時，CC1、CC2接5.1K電阻接地。

????????主設備的 CC 引腳通過上拉電阻 Rp 連接到 VBUS，標識其供電能力。例如，常見的電阻值 56kΩ/22kΩ 可表示不同的電流能力。

????????從設備的 CC 引腳則通過下拉電阻 Rd 連接到 GND，標識其受電需求，通常下拉電阻 Rd 為 5.1kΩ。

? ? ? ? 需要說明的一點時，并非所有設備主機、從機設備都是固定的，有一種雙角色端口，其 CC 引腳能夠動態切換上拉電阻 Rp 和下拉電阻 Rd 的狀態。在初始連接時，設備會隨機確定一個初始角色（主或從），并通過 CC 引腳的電平狀態來告知對方。之后，設備之間可以通過 USB PD 協議進行協商，根據實際需求動態切換主從角色。例如，手機在連接充電器時作為從設備，接收充電，當手機通過 OTG 線連接 U 盤時，手機可通過 CC 引腳切換為主設備，為 U 盤供電并讀取數據。

? ? ? ? 2、設備連接檢測

? ? ? ? 以手機及充電器為例：未連接時，充電器的 VBUS 無輸出，CC 引腳由于上拉電阻處于高電平。當手機通過 CC 引腳與充電器連接后，充電器的 CC 引腳會檢測到手機的下拉電阻 Rd，使得 CC 引腳電平被拉低。充電器檢測到 CC 引腳電平變化，就知道有設備連接上了，從而打開 Vbus 電源開關，輸出電源給手機。

????????

? ? ? ? 3、正反插確認

? ? ? ??在母口的端子中，可以看到引腳是中心對稱的，但是對于TYPE-C的公口來說，卻不是完全中心對稱，少了B6、B7引腳功能，所以實際來說，TYPE-C的公頭正插與反插是有區別的。

? ? ? ? ?依舊以手機充電為例，當手機處于充電狀態扮演從機角色時，若手機內部 CC 引腳下拉導致充電器的 CC1 引腳被拉低，意味著手機的 Type - C 接口是向上插入；反之，若充電器檢測到CC2 引腳被拉低，則表明手機的 Type - C 接口是向下插入。這樣可以確定接口插入的方向。??

? ? ? ? 4、USB PD 通信

????????CC1/CC2 引腳是 USB PD（Power Delivery）協議通信的線路之一，通過該引腳，設備之間可以進行電源相關的信息交互，如協商供電電壓、電流等參數，以實現快速充電或其他功率傳輸功能，實現負載的功能配置。

?????

? ? ? ? 5、Type C 接口 SBU1/SBU2 作用

			B8	SBU2	Side Band Use 1，即輔助使用2
A8	SBU1	Side Band Use 1，即輔助使用1

????????SBU1/SBU2 主要用于支持附加功能。

????????音頻信號傳輸：在模擬音頻耳機附件模式下，SBU1 可作為麥克風信號傳輸通道，將音頻信號從設備傳輸到外部音頻設備。在 DP Alt Mode 模式下進行 DP 信號傳輸時，SBU 引腳可作為音頻傳輸通道，傳輸音頻信號。

????????視頻信號相關：在 DisplayPort 替代模式中，SBU1 和 SBU2 可用于傳輸 DisplayPort 協議中的輔助信號，如音頻信號、熱插拔檢測信號等，以實現高清視頻輸出及相關功能的協同工作。

????????設備連接與配置：SBU1 和 SBU2 在連接 Type - C 設備時參與建立連接，并在設備之間傳輸信息。例如，SBU1 可發出電壓波形，以確定設備的電源和數據協議，SBU2 則用于接收電源和數據協議的信息，使設備能夠進行正確的配置。

? ? ? ? 6、Type C 接口 SSTX/SSRX 作用

A2	SSTXp1	SuperSpeed 差分信號 #1 的發送正端	B11	SSRXp1	SuperSpeed 差分信號 #1 的接收正端
A3	SSTXn1	SuperSpeed 差分信號 #1 的發送負端	B10	SSRXn1	SuperSpeed 差分信號 #1 的接收負端
A10	SSRXn2	SuperSpeed 差分信號 #2 的發送正端	B3	SSTXn2	SuperSpeed 差分信號 #2 的接收正端
A11	SSRXp2	SuperSpeed 差分信號 #2 的發送負端	B2	SSTXp2	SuperSpeed 差分信號 #2 的接收負端

????????SSTXp1 是 “SuperSpeed Transmitter Pair 1, Positive” 的縮寫，即 “超高速發送器差分信號對 1，正端”。

????????在數據傳輸過程中，SSRXp1 和對應的負信號引腳（如 SSRXn1）共同組成差分信號對，它主要用于高速數據傳輸，在 USB 3.1 及更高版本的協議中發揮著重要作用，負責將設備內部的高速數據以差分信號的形式發送出去，以實現快速的數據傳輸，比如在連接外部存儲設備、顯示器或進行大文件傳輸時，能確保數據的高效、穩定傳輸。

2、TYPE-C接口特點? ?

????????Type C 接口實際上為了適應不同的用途，按功能需求進行劃分從而擁有多個版本。

? ? ? ? 1、24P Type C

????????全功能 USB3.0/3.1、USB2.0、音視頻傳輸，上述我們說的引腳定義?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、音頻設備、HDMI 傳輸、調試模式等功能，但相比 24P 接口，功能的完整性和性能會受到一定限制。。

????????TYPE - C 的 16P 和 12P 在本質上沒有太大區別，通常可認為是同一種接口的不同稱呼。

????????16P 一般是接口廠家、封裝的正式名稱。在單排 16P 的 TYPE - C 母座中，頭尾開始的 4 引腳 Pin 針分別是兩兩相連的，從外觀上看好像是 12Pin 針，所以日常生活中習慣稱呼為 12P。

? ? ? ? 16P 和 12P 的 TYPE - C 接口都是在 24P 全功能版本的基礎上進行了簡化。它們移除USB3.0 的 TX1/2、RX1/2 引腳，保留了 SBU1/2、CC1/2、USB2.0 的 D + 和 D - 引腳。這意味著它們支持基本的充電和 USB2.0 數據傳輸功能，但不支持 USB3.0/3.1 高速數據傳輸。

? ? ? ? 3、6P Type C

????????僅支持充電。

????????6P 接口僅保留了 Vbus（電源總線）、GND（接地）、CC1（配置通道 1）、CC2（配置通道 2）引腳，主要支持大電流充電，不具備數據傳輸功能。

????????支持 PD 快充協議：CC1 和 CC2 引腳用于 PD 設備識別，承載 USB - PD 的通信，以向供電端請求電源供給，可輸出電壓可調，最大傳輸 5A - 20V 共 100W 的功率。借助 USB - PD 協議，用電端能方便地從供電端取電。

3、TYPE-C引腳總結??

電源引腳：VBUS與GND

????????VBUS：電源總線引腳，共有兩對。用于為設備傳輸電源，能提供不同的電壓等級（如 5V、9V、12V、15V、20V 等），具體取決于所支持的 USB Power Delivery（PD）協議。

????????GND：接地引腳，同樣有兩對。

數據傳輸引腳：USB 2.0 數據引腳與USB 3.1 數據引腳

????????USB 2.0 數據引腳

????????D+、D -：這是一對差分信號引腳，用于實現 USB 2.0 協議的數據傳輸，最高傳輸速率可達 480Mbps。在一些對數據傳輸速率要求不高的設備連接中廣泛應用，如鼠標、鍵盤等。

????????USB 3.1 數據引腳

????????TX1+、TX1 - 、TX2+、TX2 -：分別為兩對發送差分信號引腳，用于高速數據的發送。

????????RX1+、RX1 - 、RX2+、RX2 -：是兩對接收差分信號引腳，用于高速數據的接收。這些引腳共同支持 USB 3.1 Gen 2 協議，最高傳輸速率可達 10Gbps，滿足如移動硬盤、高速閃存等設備的高速數據傳輸需求。

配置與檢測引腳：CC1、CC2與SBU1、SBU2

????????CC1、CC2：配置通道引腳，主要用于設備的連接檢測、正反插識別、功率傳輸協商以及 USB PD 協議的通信。例如，當設備連接時，通過檢測 CC 引腳的電平狀態和電阻值，來確定設備的角色（如主機、從機）、支持的功率等級等信息。

????????SBU1、SBU2：輔助信號引腳，在不同的應用場景下有不同的功能。可用于支持音頻、視頻等其他功能。

????????在 Type - C 接口中，D + 和 D - 通常與其他引腳協同工作。

四、USB轉UART芯片介紹

? ? ? ? 我們選用X寶上這款使用的CH348Q芯片，

????????CH348是一款高速USB總線的轉接芯片，實現USB轉八個異步串口UART0/1/2/3/4/5/6/7功能，用于為計算機擴展異步串口，或者將普通的串口設備或者MCU直接升級到USB總線。

? ? ? ? CH348分為CH348Q與CH348L,對應封裝分別為LQFP48和LQFP100。

????????在CH348Q數據手冊中，提供了典型電路應用設計圖，該電路中，采用6P的USB TYPE-C接口，使用AMS1117 - 3.3 線性穩壓器將TYPE-C輸入的5V電壓轉換為CH348Q所需要的3.3V電源電壓，并提供了晶振電路，復位電路的設計，最終引出了8個端子，用于8路串口輸出。? ? ?

? ? ? ? 在這里，我們需要注意的是對于輸出串口UART0\1\2\3與輸出串口UART4\5\6\7略微有些區別。

????????對于UART0~UART3,芯片CH348Q分別為串口提供了額外的3個引腳，RTS、CTS、DTR。

????????RTS（Request To Send）

????????功能概述：RTS 即請求發送，是一個輸出信號引腳。當設備想要向外部發送數據時，會通過將 RTS 引腳置為有效電平（通常為低電平）來向接收方發出請求發送數據的信號。這是一種發送方主動發起的請求機制，用于告知接收方自己有數據準備發送。

????????應用場景：在串口通信中，當發送設備有數據要發送時，先將 RTS 引腳置為有效，等待接收方的響應信號（CTS），只有在接收到接收方允許發送的信號后，才開始發送數據。這樣可以避免接收方因緩沖區已滿而無法接收數據，導致數據丟失的情況發生。

????????CTS（Clear To Send）

????????功能概述：CTS 即允許發送，是一個輸入信號引腳。接收方通過檢測 RTS 引腳的狀態，當檢測到發送方發出的請求發送信號（RTS 有效）時，會檢查自身的接收緩沖區是否有足夠的空間來接收新的數據。如果有足夠的空間，接收方會將 CTS 引腳置為有效電平（通常為低電平），表示允許發送方發送數據。

????????應用場景：在發送方收到接收方的 CTS 有效信號后，才會開始將數據發送出去。如果接收方的緩沖區已滿，CTS 引腳會保持無效狀態，發送方則會暫停發送數據，直到接收到有效的 CTS 信號為止。

????????DTR（Data Terminal Ready）

????????功能概述：DTR 即數據終端準備好，是一個輸出信號引腳。該引腳用于表示設備的數據終端（如計算機）是否已經準備好進行通信。當設備的數據終端準備好時，會將 DTR 引腳置為有效電平（通常為低電平），告知外部設備可以進行數據通信。

????????應用場景：在一些設備中，DTR 信號可以用于控制外部設備的電源或復位。例如，當計算機通過串口與外部設備通信時，計算機可以通過控制 DTR 引腳的電平來開啟或關閉外部設備的電源，或者對外部設備進行復位操作。

????????RTS/CTS 和 DTR 用于硬件流控制，以確保數據在發送和接收過程中的可靠性。

????????為了避免各位對這幾位引腳產生誤解，我們以單片機STM32F103為例對于接線來進行講解。

? ? ? ? 首先是電源引腳，VDDA與VSSA是單片機STM32的數字電源供電引腳。

? ? ? ? 若使用 USART1 進行通信，STM32F103其 TX 引腳為 PA9，RX 引腳為 PA10 ,而大家也都知道，一個設備的發要接另一個設備的收，故此，完成TX與RX的接線。

????????RTS 是請求發送信號，是輸出信號。STM32 的串口有對應的 RTS 引腳，如 USART1 的 RTS 引腳是 PA12 。將外部設備的 CTS 引腳連接到 STM32F103C8T6 的 PA12 引腳。

????????CTS 是允許發送信號，是輸入信號。USART1 的 CTS 引腳是 PA11 。把外部設備的 RTS 引腳連接到 STM32F103C8T6 的 PA11 引腳。

????????DTR 是數據終端準備好信號，一般作為輸出信號。在 STM32 中沒有專門的 DTR 硬件引腳，但可以使用一個通用 GPIO 引腳來模擬該功能。例如，選擇 PA8作為模擬 DTR 引腳，將其連接到外部設備的 DTR 接收引腳。

? ? ? ? 至此也以完成一個串口通訊的連接，CH348Q原理圖中的UART0、UART1、UART2、UART3便是此種連接方式。

????????但我想提的是，RTS、CTS、DTR這三種引腳并不是UART0、UART1、UART2、UART3通訊不可或缺的引腳，只有TX、RX引腳，與供電引腳才是必要引腳。

? ? ? ? 所以在原理圖中，UART0、UART1、UART2、UART3是可以像UART4、UART5、UART6、UART7引腳一樣，只引出四個引腳一樣正常工作，實際上大多數情況下這三種端子也用不到，只是對于已提供了硬件控制流功能的端子，大家可以將端子引出以備用。

????????

? ? ? ? 接下來，我們對2號引腳CFG進行解釋；

? ? ? ? CFG是一個配置引腳，用于控制上述中DTR引腳，上述中的DTR引腳在電路圖中全稱是DTR/TNOW，顧名思義，這類引腳是有兩種模式的，一種是DTR模式，一種是TNOW模式。

????????DTR（Data Terminal Ready，數據終端準備好）引腳，用于表示數據終端設備是否準備好進行數據通信。

????????TNOW 引腳，支持半雙工，可用于控制 RS485 收發切換，也可作為普通 GPIO 引腳使用。

? ? ? ??上電期間，CFG引腳接高電平或懸空，則所有DTRx/TNOWx引腳配置成TNOW功能；CFG 引腳接低電平，則所有DTRx/TNOWx引腳默認配置成DTR功能。

? ? ? ? 接下來，我們對44號引腳TEST進行解釋：

????????內部測試引腳，建議對地接1個下拉電阻 (通常4.7K?)或直接接地。

? ? ? ? 接下來，我們對14號引腳ACT進行解釋：

????????USB 配置完成狀態輸出，低電平有效。

? ? ? ? 接下來，我們對7號引腳RESET進行解釋：

????????外部復位輸入端，低電平有效，內置上拉電阻

? ? ? ? 接下來，我們對12、13號引腳XI、XO進行解釋：

????????CH348 芯片內置了電源上電復位電路，芯片正常工作時需要外部向XI引腳提供8MHz時鐘信號，時鐘信號可通過CH348內置的反相器通過晶體穩頻振蕩產生。外圍電路需要在XI和XO引腳之間連接一個8MHz晶體，XI和XO引腳對地接20/22pF左右的振蕩電容。

? ? ? ? 以上完成，我們對電路開始設計。

五、USB轉UART電路設計

????????電源方面，設計了三種方案，

????????電源模塊：可靠省事、價格略貴。

????????LDO：價格便宜、省事。

????????BUCK降壓：可輸出較大功率。

????????都能正常使用，各有優缺點，各位可以自行選用，本次選用了LDO方案。

? ? ? ? 在CH348Q芯片附近，主要有復位電路，晶振電路，上述已提，不再贅述。

? ? ? ? 對于CFG引腳，各位可以直接使用下拉電阻接地，也可以如圖上使用2P的排針，若需要接地，可使用跳線帽直接短接，方便。

? ? ? ? 對于TEST引腳，直接對地接1個下拉電阻。

? ? ? ? 最后對于輸出的串口，并未將8個串口全部引出，看各人需要，本次只引出4個串口。

? ? ? ? 對于ACT引腳，當USB配置完成后為低電平，此時LED2點亮，其余收發指示燈不再贅述。

六、電路完成截圖

七、文件下載鏈接

? ? ? ? 上述文件，源文件已導出，上傳在本人的資源中，可免費下載

【免費】基于TYPE-C與CH348Q的USB轉串口方案：串口一拖四資源-CSDN文庫