高速USB转JTAG/SPI/I2C/UART/GPIO应用

本文介绍高速USB转接芯片CH347的功能特性,包括JTAG、SPI、I2C和UART接口的特点及应用。阐述了芯片的工作模式及USB设备参数配置方法。

高速USB转接芯片CH347是一款集成480Mbps高速USB接口、JTAG接口、SPI接口、I2C接口、异步UART串口、GPIO接口等多种硬件接口的转换芯片。

接口示意图:

应用示意图:

JTAG接口特点

  • 工作在 Host/Master主机模式;
  • 硬件信号:TMS、TCK、TDI、TDO和TRST;
  • 支持自定义协议的快速模式和bit-bang模式,传输速率可达30Mbit/S;
  • 提供计算机端驱动程序和USB转JTAG TAP函数库,支持二次开发;

SPI接口特点

  • 工作在 Host/Master主机模式;
  • 内置硬件DMA,支持批量数据的快速发送和读取;
  • 硬件信号:SCS0、SCS1、SCK、MISO和MOSI;
  • 工作模式:SPI模式0/SPI模式1/SPI模式2/SPI模式3;
  • 传输位序:MSB/LSB;
  • 数据结构:8位/16位传输;
  • 提供计算机端驱动程序和USB转SPI函数库,支持二次开发;

I2C接口特点

  • 工作在 Host/Master主机模式;
  • 硬件信号:SCL、SDA;
  • 支持4种传输速度:低速20KHz、标准100KHz、快速400KHz、高速750KHz;
  • 支持I2C时序参数调节;
  • 提供计算机端驱动程序和USB转I2C函数库,支持二次开发;

UART接口特点

  • 硬件信号:TXD、RXD、Modem信号;
  • 支持串口波特率:1200bps~9Mbps;
  • 支持串口数据格式:8个数据位、1/2个停止位、奇/偶/无校验;
  • 支持RS485方向自动切换;
  • 支持串口自动硬件流控;
  • 提供VCP串口驱动方式/HID免驱应用方式;
  • 支持标准串口/厂商CH347动态库/HID接口形式访问串口;

工作模式说明

CH347芯片在复位时,会根据DTR1(CFG0)和RTS1(CFG1)引脚的电平状态配置其工作模式,各工作模式及功能说明如下:

模式模式说明驱动模式CFG0CFG1
模式0USB转双高速串口VCP/CDC11
模式1USB转单高速串口(VCP)+SPI+I2CVCP/CDC01
模式2USB转单高速串口(HID)+SPI+I2CHID10
模式3USB转单高速串口(VCP)+JTAGVCP/CDC00

USB设备参数配置
芯片内置EEPROM支持USB参数配置,可以通过芯片厂家提供的配置软件 CH34xSerCfg.exe,灵活配置芯片的厂商识别码 VID、产品识别码 PID、最大电流值、BCD 版本号、厂商信息和产品信息字符串描述符等参数。

<think>嗯,用户这次想深入了解嵌入式系统中几种关键通信接口的区别和联系,特别是JTAGUART、TTL、SPII2C这些协议。用户之前已经了解过UART和TTL的关系,现在显然是想扩展知识体系到更广泛的嵌入式通信领域。 从用户提供的引用资料来看,引用[2][3]特别有价值,它们系统性地对比了各种通信协议的特性。用户可能正在做嵌入式开发相关项目,需要为不同外设选择合适的通信方式。考虑到用户之前对电平标准和协议层关系很关注,这次应该着重强调物理层和协议层的双重区分。 关于JTAG,虽然用户列在最后,但这其实是嵌入式开发最重要的调试接口。需要明确它和其他通信协议的本质不同——JTAG是同步串行协议,主要用于芯片测试和调试,而非常规数据通信。引用[3]提到STM32开发板支持CAN,但用户没问这个,暂时可以不展开。 TTL需要特别注意澄清概念混淆。用户似乎把TTL当作独立协议了,其实它只是UART最常用的物理层实现方式。这点在之前的对话中强调过,但用户再次提出说明可能还存在困惑,需要更直观的对比表格来呈现。 SPII2C都是同步协议,但特性差异很大。引用[4]提到SPI需要3-4根线,这个细节很关键——当用户引脚资源紧张时,I2C显然更有优势。不过用户没问具体应用场景,所以表格里呈现基础参数更合适。 用户可能没意识到的问题是:这些协议如何共存于同一系统?比如STM32芯片同时支持JTAG调试、UART打印日志、I2C连接传感器。所以最后总结部分要强调互补性,引用[2]提到“嵌入式通信常用UART/I2C/SPI”正是这个意思。 表格设计需要平衡全面性和简洁性。把核心参数分成协议属性(类型/同步性/拓扑)和硬件属性(线数/速率/距离),这样用户能快速抓住关键区别。特别标注JTAG的调试专用属性,避免和其他通信协议混淆。 最后生成的问题要引导用户深入实践场景:电平换是混合系统设计的痛点;协议选择标准能帮助用户做设计决策;多协议协同则是真实项目的关键。这些问题都嵌入了引用[1][3]的硬件设计要点。</think>以下是嵌入式系统中主要通信接口的对比分析,结合物理层与协议层特性进行系统化梳理: --- ### **核心协议对比** | **特性** | **JTAG** | **UART** | **TTL** | **SPI** | **I2C** | |------------------|-------------------------------------------|-------------------------------------------|-----------------------------|--------------------------------------------|------------------------------------------| | **本质** | **调试协议**<br>(IEEE 1149.1标准) | **异步串行通信协议** | **电平标准**<br>(非独立协议) | **同步串行通信协议** | **同步串行通信协议** | | **主要用途** | 芯片测试/程序烧录/硬件调试[^2] | 设备间数据通信(如日志输出) | UART的物理实现方式 | 高速外设通信(Flash/屏幕) | 中低速传感器通信(温湿度/EEPROM) | | **同步性** | 同步 | 异步 | - | 同步(时钟线SCLK) | 同步(时钟线SCL) | | **数据线** | 4-5线<br>(TMS/TCK/TDI/TDO/TRST) | 2线<br>(TX/RX) | 2线(承载UART信号) | 3-4线<br>(MOSI/MISO/SCLK/CS) | 2线<br>(SDA/SCL) | | **拓扑结构** | 菊花链 | 点对点 | 点对点 | 主从式(一主多从) | 多主多从(总线结构) | | **通信方向** | 半双工 | 全双工 | 全双工 | 全双工 | 半双工 | | **速率范围** | 5-50 Mbps | 300 bps - 3 Mbps | 依赖UART协议 | 1-100+ Mbps | 100 kbps - 3.4 Mbps | | **电平标准** | LVTTL(3.3V) / 5V TTL | 物理层实现多样<br>(TTL/RS-232/RS-485) | 逻辑0: ≤0.8V<br>逻辑1: ≥2.4V | 依赖主设备电平 | 开漏输出+上拉电阻 | | **关键优势** | 硬件级调试能力 | 简单可靠/广泛兼容 | 直接匹配MCU电平 | 高速/全双工 | 多设备/引脚少 | | **典型场景** | STM32程序烧录 | 传感器数据上传 | Arduino与模块通信 | OLED屏数据传输 | 温湿度传感器读取 | > 💡 **TTL的特殊性**:TTL是UART最常见的物理层实现,其电平标准($V_{IL}≤0.8V$, $V_{IH}≥2.0V$)直接匹配微控制器GPIO[^2][^3] --- ### **协议关联与协同** 1. **物理层与协议层关系** - **TTL作为载体**:UART协议通过TTL电平在短距离传输(如STM32的`PA9(TX)-PA10(RX)`引脚) - **电平换扩展**:UART+RS485芯片实现长距离工业通信(如MAX485模块)[^3] 2. **多协议共存设计** ```mermaid graph TB MCU -->|JTAG| 调试器(JTAG接口) MCU -->|UART+TTL| 传感器[温度] MCU -->|SPI| 显示屏(OLED) MCU -->|I2C| EEPROM[存储芯片] ``` > 嵌入式系统常组合使用: > - **JTAG**用于开发阶段调试 > - **UART(TTL)** 用于运行时日志输出 > - **SPI/I2C** 连接外设[^2][^4] 3. **信号特性对比** | **协议** | 时钟需求 | 抗干扰能力 | 布线复杂度 | |----------|----------|----------------|------------| | JTAG | 需同步时钟 | 中等(依赖屏蔽)| 高(多线) | | UART | 无时钟线 | 低(TTL易受干扰)| 低 | | SPI | 严格同步 | 高(短距离) | 中 | | I2C | 需时钟线 | 中(上拉抗噪) | 低 | --- ### **设计注意事项** 1. **电平兼容** - 3.3V MCU连接5V TTL设备需电平换(如TXS0108E芯片) - I2C总线必须加上拉电阻(通常$2.2kΩ-10kΩ$)[^4] 2. **信号完整性** - SPI高速通信(>10MHz)需等长布线(如PCB的$MOSI/MISO/SCLK$组) - UART长距离传输应RS485差分信号(电压差$±2V-6V$抗干扰)[^3] 3. **资源开销对比** $$ \text{MCU资源消耗:SPI > I2C > UART > JTAG} $$ - SPI需专用硬件控制器 - UART可软件模拟(代价为CPU占用率高) --- ### **总结:核心区别** - **JTAG**:专用调试协议,非数据通信 - **UART**:异步串行通用协议,依赖物理层实现(如TTL) - **TTL**:物理电平标准,非独立协议 - **SPI**:高速同步协议,全双工但引脚多 - **I2C**:中速同步协议,总线结构节省引脚 > ⚠️ 关键选择原则: > - **速度优先** → SPI > - **引脚受限** → I2C > - **简单调试** → UART(TTL) > - **硬件开发** → JTAG[^2][^3][^4] ---
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