MCP2221A — мост USB в I²C и UART от Microchip

Выводы

Корпуса: PDIP-14 (P), SOIC-14 (SL, чертёж C04-065-SL Rev D, посадочное место C04-2065-SL Rev D), TSSOP-14 (ST, C04-087 Rev D и C04-2087 Rev D) и QFN-16 4 × 4 мм (ML, C04-127D). Открытую площадку QFN Microchip просит не соединять ни с чем — это отличие от большинства микросхем, у которых площадку паяют к земле. Резисторы согласования и подтяжка D+ встроены: по примечанию к табл. 4-1 между микросхемой и разъёмом USB не нужны ни резисторы, ни конденсаторы, ни дроссели.

Питание

MCP2221A питается от 3,0 до 5,5 В на VDD. Приёмопередатчику USB нужны 3,3 В на VUSB (рабочий диапазон 3,0–3,6 В), и их можно получить двумя способами (разд. 1.6.2):

• От шины USB. VDD = 5 В от VBUS, внутренний стабилизатор даёт 3,3 В на VUSB; на VUSB ставят керамический конденсатор 0,22–0,47 мкФ. Выводы UTx и GP при этом работают с уровнем 5 В.
• От своих 3,3 В. VDD и VUSB соединяют вместе и подают 3,3 В; внутренний стабилизатор не участвует, выводы работают с уровнем 3,3 В.

При питании от USB общая ёмкость на линии VBUS по требованию спецификации USB 2.0 не должна превышать 10 мкФ, иначе нужно ограничение пускового тока (разд. 1.6.2.2). По умолчанию микросхема при перечислении запрашивает у компьютера 100 мА (значение 50 в настройке USBREQCRT, единица — 2 мА). Ток потребления — 10 мА тип. (до 12 мА) при 3,0 В и 13 мА тип. (до 15 мА) при 5,0 В; в режиме покоя — 46 мкА тип.

Вывод RST сбрасывает микросхему нулём (импульс не короче 2 мкс) и внутри подтянут к питанию; Microchip советует соединить его с VDD резистором 1–10 кОм, а при собственном питании устройства — с линией VBUS разъёма USB (рис. 1-8). После сброса таймер включения выдерживает 40–140 мс (65 мс тип.); для надёжного сброса при включении питание должно нарастать не медленнее 0,05 В/мс.

Выводы GP

Каждый из четырёх выводов GP получает одну функцию из таблицы 1-5; назначение при включении хранится во Flash, а во время работы его можно сменить HID-командой в копии настроек в ОЗУ.

• GPIO — вход или выход, управляется и читается HID-командами.
• SSPND — ноль, когда компьютер перевёл USB в режим Suspend; USBCFG — единица, когда устройство настроено компьютером.
• LED_URX, LED_UTX, LED_I2C — на несколько миллисекунд опускаются в ноль при обмене: к ним подключают светодиоды активности.
• ADC1–ADC3 — входы 10-битного АЦП, около 1000 выборок в секунду; источник опорного — VDD, 1,024, 2,048 или 4,096 В.
• DAC1, DAC2 — выход одного и того же 5-битного ЦАП; если оба вывода — ЦАП, на них одно и то же напряжение.
• CLKR — выход частоты от внутреннего генератора 12 МГц ±0,25 % с настраиваемым делителем и скважностью.
• IOC — вход прерывания по фронту, спаду или обоим; он же может будить спящий компьютер (Remote Wake-up).

Наш расчёт для АЦП: с опорным 2,048 В шаг 2,048 / 1024 = 2 мВ, с опорным VDD = 5 В — около 4,9 мВ. Источник сигнала для АЦП должен иметь сопротивление не больше 10 кОм, или на входе нужен конденсатор 0,01 мкФ (табл. 4-2). Шаг ЦАП по табл. 4-3 — VDD / 32, при 5 В это 156 мВ, точность — ±½ младшего разряда, установление — до 10 мкс. Наш вывод: ЦАП на 32 ступени годится для опорного напряжения или подстройки, но не для звука.

I²C через HID

Ведущий I²C управляется 64-байтными HID-отчётами. Скорость задаёт команда 0x10 (Status/Set Parameters) с делителем: делитель = 12 МГц / частота − 2. Наш расчёт: для 400 кГц — 12 000 000 / 400 000 − 2 = 28, для 100 кГц — 118. Той же командой отменяют зависшую передачу и освобождают шину — например, после обращения по несуществующему адресу.

Запись — команда 0x90 (I2C Write Data): длина передачи двумя байтами, адрес ведомого и до 60 байтов данных в одном отчёте; если длина больше 60, остаток передаётся следующими командами 0x90. Адрес в командах восьмибитный: семибитный адрес сдвигают влево на один разряд, для чтения прибавляют единицу (примечание 2 к табл. 3-20). Наш пример: датчик с адресом 0x76 записывается как 0xEC, читается как 0xED. Есть варианты с повторным Start и без Stop — для чтения регистров по схеме «запись адреса регистра, повторный Start, чтение». Порядок байтов в таких транзакциях удобно проверять в конструкторе транзакции I²C.

UART

UART работает только в формате 8N1: команду SET_LINE_CODING от терминальной программы микросхема использует лишь для смены скорости, число бит, чётность и стоп-биты не меняются (разд. 1.3). Скорость получается делением 12 МГц: фактическая = 12 МГц / int(12 МГц / заданная). Отсюда ошибка 0,16 % на 38 400, 57 600, 115 200, 230 400 и 460 800 бод и точные значения на 300–19 200 бод (табл. 1-2); ошибку для своей скорости считает калькулятор скорости UART. Линий управления потоком и модема (RTS, CTS, DTR) нет.

Параметры

Условия — VDD 3,0–5,5 В, −40…+85 °C, если не указано иное (разд. 4).

Предельные режимы (с. 56): VDD — от −0,3 до 6,0 В, RST — до 9,0 В, VUSB — до 4,0 В и не выше VDD + 0,3 В, D+ и D− — до VUSB + 0,3 В, остальные выводы — до VDD + 0,3 В; ток одного вывода — 25 мА в нуле и в единице, всех выводов вместе — 90 мА, через VDD и VSS — 95 мА; мощность — 800 мВт. Тепловое сопротивление кристалл — среда: 70 °C/Вт у PDIP-14, 95,3 у SOIC-14, 100 у TSSOP-14 и 45,7 °C/Вт у QFN-16. Наш расчёт: при 5 В и 15 мА микросхема рассеивает 75 мВт и в TSSOP-14 нагревается на 7,5 °C — без нагрузки на выводах тепловых ограничений нет.

Настройки во Flash

VID, PID, строки дескрипторов USB, запрашиваемый ток, назначение выводов GP, опорные напряжения АЦП и ЦАП, начальное значение ЦАП и частота CLKR хранятся во Flash и копируются в ОЗУ при включении. По умолчанию VID:PID — 04D8:00DD; их, как и дескрипторы, можно заменить своими утилитой Microchip или командами HID. Запись настроек можно закрыть паролем из восьми байтов (по умолчанию нули). Наш вывод: если в устройстве изменён PID, стандартные драйверы классов CDC и HID продолжат работать, а программы, которые ищут мост по VID:PID 04D8:00DD, — нет.

MCP2221A, CP2102 и CH340

Наш вывод: для загрузки прошивок и консоли с автосбросом платы лучше CP2102 или CH340, у которых есть DTR и RTS. MCP2221A выигрывает там, где компьютер должен сам работать с шиной I²C, читать аналоговые входы или дёргать выводы, — без микроконтроллера и без установки драйверов. Похожий новый мост WCH — CH9102 — тоже только UART.

Расхождения в документации

• Корпуса в таблице выводов. Заголовок табл. 1-1 называет корпуса «PDIP, SOIC, SSOP», а рисунок корпусов на с. 2 и коды заказа на с. 75 — PDIP, SOIC и TSSOP; корпуса SSOP у MCP2221A нет.
• Десятибитные адреса I²C. Свойства на с. 1 обещают устройства с 7- и 10-битными адресами (10-битные — через библиотеку на компьютере), а разд. 1.13.1 перечисляет только 7-битный режим.
• Диапазон VDD для опорного. Разд. 1.8.1.1 пишет, что опорное VDD «может принимать любое значение от 3,3 до 5 В», а рабочий диапазон питания — 3,0–5,5 В.
• Разрядность ЦАП. ЦАП 5-битный (разд. 1.8.3), а примечание к табл. 4-3 измеряет установление при смене кода «с 0000 на 1111» — это четыре бита. Шаг дан только как VDD / 32, хотя ЦАП может работать и от внутренних опорных 1,024, 2,048 и 4,096 В.
• Пороги входов GP при 3,3 В. Уровни ТТЛ для выводов GP (0,8 и 2,0 В) заданы только при VDD 4,5–5,5 В; для питания 3,0–4,5 В порогов входов GP в таблице нет.