Последовательный порт rs232 для конвертера ttl. Последовательный порт - TTL и RS232. Что такое TTL и при чём тут USB

Микроконтроллеры в Arduino (ATmega328, 168, 2560) используют, кроме прочих интерфейсов, аппаратно реализованный последовательный интерфейс (UART). В МК ATmega2560 (Arduino Mega) реализовано сразу четыре UART. Интерфейс использует два провода - RX (прием) и TX (передача), где цифровой сигнал кодирует значения бит "0" и "1" напряжением на проводе. Значению "0" соответствует 0В, а значению "1" - рабочее напряжение интегральной схемы (5В или 3.3В, в зависимости от модели и режима работы МК). Такой тип кодирования также называют транзистор-транзисторной логикой (ТТЛ), т.к. напряжение на проводе напрямую влияет на состояние (открытое/закрытое) транзисторов, обеспечивающих приемо-передачу цифрового сигнала.

Последовательный порт компьютера (COM-порт), который все реже можно видеть в современных моделях компактных компьютеров, работает по старому телекоммуникационному стандарту RS232, где кодирование сигнала иное: значение "0" кодируется напряжением от +3В до +25В, а "1" - отрицательным напряжением от -3В до -25В. В COM-портах персональных компьютеров обычно встречается напряжение +13В и -13В.

Большая разница напряжений делает RS232 соединение более устойчивым к помехам, однако, в современных цифровых устройствах чаще используется ТТЛ-совместимый последовательный порт, либо USB - гораздо более современный и высокоскоростной интерфейс.

На приведенном рисунке для сравнения отображены сигналы TTL serial и RS 232, снятые при передаче значения одного байта.

Для преобразования сигнала RS232 в TTL и обратно необходимо его инвертировать (хотя это можно сделать и программно) и преобразовать напряжение. Обычно для этого используются микросхемы типа MAX232 . Иногда используют упрощенные самодельные схемы, обеспечивающие инверсию сигнала и преобразование напряжения или прибегают к программно-аппаратным решениям (программная инверсия, аппаратное изменение напряжения).

В случае с Arduino (Uno, Mega и пр.) используется USB-TTL serial контроллер, обеспечивающий работу с МК через ТТЛ-совместимый последовательный интерфейс. В старых моделях для этого использовался чип FTDI FT232, в новых - ATmega8U или ATmega16U. Выводы последовательного интерфейса МК так же доступны для прямого подключения. Для Uno это выводы D0, D1, а у модели Mega имеется сразу несколько последовательных интерфейсов. Подключать к этим выводам RS232 порт нельзя - корректно работать он не сможет из-за другого типа кодирования, а высокое напряжение может повредить МК.

Для подключения к ТТЛ-совместимому последовательному порту с компьютера удобно использовать USB-TTL serial адаптер . Однако, USB-TTL serial адаптеры общего назначения продаются только в специализированных магазинах и, нередко, по неоправданно высокой цене. При этом гораздо более популярны (и дешевы) USB-RS232 адаптеры. При ближайшем же рассмотрении, любой USB-RS232 адаптер содержит два основных компонента - микросхемы USB-TTL serial адаптера и RS232-TTL serial преобразователя.

У меня нашелся USB-RS232 адаптер, схема которого была спрятана в легко разбираемый корпус DB9 разъема (иногда корпус делают литым и добраться до схемы сложнее). Адаптер оказался построен на популярных чипах Prolific PL2303 (USB-TTL serial адаптер) и Zywyn ZT213 (RS232-TTL адаптер). Посмотрев на спецификацию PL2303 выяснил, что мне нужны выводы 1 (TX) и 5 (RX), к которым я подпаял провода, никак не меняя схему (так что RS232 часть осталась работоспособной). Землю взял с 5го контакта DB9, чтобы не трогать 7й вывод микросхемы.

В итоге получился дешевый и сердитый USB-TTL serial адаптер. На скриншоте: Serial monitor от Arduino IDE подключен по USB, а realterm - напрямую к D0,D1 через USB-TTL serial адаптер.

Слышал, что многие data-кабели для мобильных телефонов также содержат USB-TTL serial контроллеры, хотя все большее количество современных моделей подключаются к USB интерфейсу напрямую, не требуя специальных адаптеров. Многие микроконтроллеры снабжены USB интерфейсом, в частности ATmega8U и ATmega16U, которые используются в Arduino в качестве USB-TTL serial контроллеров, предоставляя доступ к ATmega328, который USB интерфейса не имеет.

VTR-E/TTL
- миниатюрная плата без корпуса
- возможность питания 5 В или 7...30 Вольт
- имеет вход/выход TTL уровня Rx и Tx
- TTL уровень универсальный и совместим с 3,3В и 5В
- для повышения надежности устройства во входной и выходной цепях TTL используются транзисторные буферы

450 грн.

Поддерживаемые протоколы:
- TCP/IP для подключения через сокет и приема/передачи данных;
- HTTP для настроек через WEB-браузер;
- Ping для проверки связи.

Характеристики

Параметр	Значение
Интерфейс Ethernet	RJ-45
Интерфейс TTL	Клеммная колодка
Настройки TTL	1 старт бит, 8 бит данных, без контроля четности, 1 стоп бит
Скорость порта TTL	300/600/1200/2400/4800/9600/19200/38400/57600/115200 бит/сек
Светодиодная индикация	"PWR"-наличие питания "TCP" - установление соединения по протоколу TCP/IP "Rx" - прием данных по TTL "Tx" - передача данных по TTL
Напряжение питания	5В / 7...30В пост.тока
Максимальный потреляемый ток	180 мА
Рабочая температура	0..+70 С
Температура хранения	-55..+125 С
Размеры ШхВхГ	34х58х17 мм
Вес	35г

BORDER>
Каждое изделие после производства проходит проверку.

Сопутствующие товары

Блок питания 5V 1A или 12V 1A

100 грн. - 5V
120 грн. - 12V

Архив с инсталяцией может быть скачан и с нашего сервера:

Создание COM-порта
Установите программу. Загрузите. Перейдите на закладку "Virtual Serial Port". Установите номер желаемого COM-порта, укажите IP-адрес преобразователя и порт (по умолчанию 9761).
Нажмите кнопку "Create COM". Через несколько секунд будет создан COM-порт с указанным номером и установится соединение с преобразователем. Индикацией установки соединения будет зажигание на преобразователе светодиода "TCP".
После этого все записанное в COM-порт будет передано на выход TTL, а полученное по TTL будет принято на COM-порт.

Передача больших объемов информации
Поскольку преобразователь имеет ограниченный, по сравнению с ПК, буфер памяти для хранения передаваемых данных, то при объеме несколько килобайт может происходить его переполнение. Для этого в настройка драйвера порта следует установить опцию "Strict Baudrate Emulation". При этом скорость передачи данных по сети Ethernet снизится до скорости передачи по TTL и потери передаваемых данных происходить не будет.
Также, чтобы исключить вставку служебных команд в передаваемые данные, отключите опцию "NVT Enable".

Постоянно действующий COM-порт
Для того чтобы виртуальный COM-порт был создан как постоянно действующий, то есть после перезагрузки Windows продолжал работать, перейдите на закладку "Settings" и установите опцию "Create VSP Port when HW VSP Start-up".

Примечания
1) Не забудьте установить скорость порта TTL в преобразователе (через Web-браузер).
2) Разрыв связи с преобразователем по TCP/IP не требует перезагрузок или каких-либо действий. Связь восстанавливается автоматически после передачи данных на COM-порт.

Подключение собственным ПО

Работать с преобразователем можно собственным ПО. Для этого Вы разрабатываете программу, которая установит сокетное соединение и будет писать/читать данные.
Преобразователь используется с управляющим устройством (компьютером), на котором реализована функция TCP/IP Socket-сервера или Socket-клиента. При этом прикладное ПО компьютера устанавливает соединение или отвечает на запрос установки соединения. Далее данные, полученные преобразователем на Socket транслируются на выход TTL (Tx), а полученные с входа TTL (Rx) передаются по сокетному соединению на компьютер. Ниже приведены ссылки для скачивания тестового ПО для компьютера, реализующего Socket-клиента, для случая, если преобразователь настроен как Socket-сервер. Используемая световая индикация показывает наличие соединения по сокету и передачу/прием данных TTL.
На схеме представлен пример подключения преобразователя к устройству TTL-уровню.

Путем некоторых нехитрых манипуляций (описание которых более подходит для хабра) и загрузчик и арч были водружены на карту памяти и устройство было включено. Однако, после загрузки меня ждал черный экран и горящий зеленый светодиод на «апельсине».

Ну не беда, подумал я. На «апельсине» распаян UART, подключусь как я к нему терминалом да посмотрю что происходит. Были куплены необходимые детали и провод и спаян вот такой кабель (картинка под спойлером)

Нубский вариант кабеля

Тот кто в теме, сразу поймет в чем я был не прав, сделав такой кабель, и таких среди читающих больше половины. Я же заподозрил неладное после того как увидел кракозябры, которые плевал в терминал мой «апельсин». Именно понимание причины моей глупейшей ошибки и побудило меня к действиям, описанным ниже.

1. В чем разница между UART и RS232

Разница в уровнях. Последовательный интерфейс, реализованный в Orange Pi и других подобных устройствах, основан на TTL-логике, то есть нулевому биту соответствует нулевой уровень напряжения, а единице уровень в +5 В. RS232 использует более высокий уровень напряжения, до 15 В, и единице соответствует -15 В, а нулю +15 В. Для увеличения помехозащищенности канала как ноль воспринимается любой уровень напряжения ниже 3 В по модулю. Протокол передачи данных на уроне последовательности логических значений и у UART и у RS232 абсолютно одинаков. Всё это иллюстрируется следующей диаграммой передачи байта

Вот как я мог об этом забыть? В бытность своей работы в электровозостроительном НИИ эти вещи я знал. А тут почему-то глупость сморозил. В общем стало понятно, что нужен некий преобразователь уровней с инвертированием сигнала. Выбор пал в сторону подключения всего хозяйства к COM-порту, который есть на матплате моего домашнего компьютера. Хотя конечно можно было посмотреть в сторону UART <-> USB, ибо старинный последовательный интерфейс неуклонно теряет актуальность. Однако моя склонность к более простым решениям победила и в качестве кандидата на приобретение всплыл вот такой девайс

Продаваемый на том же «али» за 464 рубля. В принципе, такое можно было найти и в магазинах или на радиорынке в моем городе, но зуд сделать что-то руками уже был разбужен. Поэтому я отверг мысли о покупке платы сопряжения и решил попробовать сделать её самостоятельно.

Надо сказать, что с паяльником я вообще-то дружу. В школе и университете до покупки первого компьютера пайка всякой полезной и не очень ерунды была для меня главным увлечением. Но я жил в деревне, были девяностые годы. Денег особо не было, компоненты доставались путем разборки попавшего в поле зрения радиохлама. Источником информации были книги из районной библиотеки - «интернеты» тогда были далеко не у каждого. Богатого инструмента тоже не было. Фольгированный текстолит и хлорное железо были легендарным чудом. В общем было трудно.

После покупки компьютера вся увлеченность переключилось на него. А скил паяльщика мелких усилителей-приемничков положен на полку. Так что я «чайник». Поэтому ко многому из того, о чем я напишу ниже, прошу относится снисходительно. И эта статья, по большому счету для таких же «чайников» как и я.

2. Выбор схемы устройства и его компьютерное моделирование

Схему подобного девайса найти в сети раз плюнуть. Таких схем реально много. Выбор пал на такое решение

Сердцем всего устройства является микросхема типа MAX232 - преобразователь уровней, действующий по принципу "зарядового насоса ". Повышение напряжения с 5 в осуществляется за счет поочередной зарядки внешних конденсаторов C4 и C5. В моменты выдачи сигнала на RS232 эти конденсаторы соединены последовательно, и напряжение накопленное в них складывается. При обратной передаче микросхема работает как делитель. В обоих направлениях передачи сигнала происходит его инвертирование.

Диод VD1 играет роль «защиты от дурака» - запирает цепь питание при подаче напряжения неверной полярности.

Прежде чем приступать к изготовлению устройства я решил посмотреть, как всё это будет работать, поэтому начал с моделирования будущего устройства в среде Proteus. Для испытания схемы был собран виртуальный стенд

Первое что хотелось сделать - смоделировать всё, включая цепи питания, так как меня интересовало влияние диода на работу схемы. По умолчанию в Proteus пины питания на микросхемах скрыты и подтянуты к плюсу нужного уровня и земле. Чтобы их разблокировать, нужно, во-первых, отобразить скрытые пины. Для этого идем в меню Template -> Set Design Colors и ставим галку Show hidded pins

В котором ставим галки Draw body и Draw Name. После этого выделяем всю микросхему, включая текст, которым подписаны выводы и правой кнопкой меню выбираем Make Device. Нам будет предложено выбрать имя для нового устройства и сохранить его. Всё, после этого цепи питания будут включены в процесс симуляции явно.

Далее, передавать по UART будем нечто осмысленное, например букву «A» кодируемую в ASCII кодом 65 в десятиричной системе счисления или последовательностью 01000001b в двоичной. Кроме того, чтобы иницировать передачу необходимо послать стартовый бит с уровнем «0», а для завершения передачи послать один или два стоп-бита уровнем «1». Таким образом, временная диаграмма кадра, передаваемого по UART будет выглядеть так

Для формирования подобного сигнала используем источник именуемый Digital Pattern Generator (DPATTERN) с настройками вида

Ширина импульса в 104 микросекунды соответствует скорости 9600 бод. Форма сигнала задается строковым шаблоном где «L» означает низкий уровень, а «F» - высокий уровень. Соответственно наша строка будет выглядеть как «FLFLLLLLFLF». Контроль принимаемых в RS232 данных будем производить виртуальным терминалом, настроив его так

Не будем использовать бит четности, и будем использовать один стоп-бит. Кроме того, скажем что сигнал, подаваемый на терминал инвертирован, что соответствует протоколу RS232. Запустив моделирование схемы получаем осциллограмму сигналов и вывод в виртуальный терминал

По каналу A идет выходной сигнал, подаваемый в COM-порт. На канале B - входной TTL-сигнал. В терминал выводится заветная буква «A». Таким образом мы убеждаемся в том, что предлагаемая схема вполне работоспособна. В теории.

3. Подбор и покупка компонентов

Из ближайших к месту моего обитания магазинов, где можно разжиться радиодеталями есть два заслуживающих внимания: магазин «Радиодетали» на Буденовском проспекте (это город Ростов-на-Дону) и магазин «1000 радиодеталей» на проспекте Нагибина, напротив ТЦ «Рио». Последний выгодно отличается тем, что у него есть сайт , правда довольно древний, и видимо лениво обновляемый (и сделанный на Joomla...). Поползав по прайсу я подобрал список того, что мне нужно прикупить.

Сразу скажу, я тщательно избегал SMD-компонентов в виду своей неопытности. Поэтому я выбрал MAX232CPE в исполнении для монтажа в отверстия. Такие же взял и электролиты и диод. Однако по место оказалось, что в наличие только микросхема MAX232CWE - то же самое, только… SMD! Подумав с секунду я согласился с предложением продавца - надо же когда-то начинать… Конденсаторов на 15 В не нашлось, зато нашлись на 100 В той же емкости и тех же габаритов. Ну ладно, тоже ничего. Вместо разъема DB-9 типа «папа» мне предложили «маму». Таким образом получился следующий список

Хлорное железо, цапон лак и текстолит, разумеется не были использованы полностью. Кроме того, в этот список я не включил приобретенный инструмент: простенькую паяльную станцию (ибо до этого располагал только 40 ваттным паяльником с медным жалом), бокорезы и маленькие плоскогубцы, ножницы по металлу для резки текстолита, жидкий канифольно-спиртовый флюс ЛТИ-120 ну и так далее. В общем эта эпопея стоила мне порядка 3000 рублей.

В общем компоненты были куплены и принесены домой. 40-пиновые PLS-колодки были отпилены под нужное число контактов. Один из контактов вынут, с целью обеспечения однозначности соединения. Отверстие в гнездовой колодке, соответствующее вынутому пину заделано полиэтиленом.

4. Сборка устройства на макетной плате и проверка работы

В принципе, для такого простого девайса это и не обязательно. Но я же «чайник», поэтому прежде чем делать плату, решил все-таки проверить схему в реальной работе.

Сложнее всего пришлось с микросхемой. Чтобы впаять её на макетную плату пришлось извратится с подпайкой двенадцати ног к медным проводникам. Вышел паук-монстр о двенадцати ногах

В этот момент я понял две вещи: хорошо, что я все-таки купил паяльную станцию. А плохо то, что мне придется изрядно повозится с этой мелкотой. В общем компоненты были запаяны на «макетку», схема собрана с «апелисновой» платой. Питание +5 В взято с «апельсина» - 2-й контакт на двухрядной 40-пиновой штыревой колодке

Для коннекта с устройством использовался терминал putty, который есть и под Linux, и в отличие от minicom имеет цветной вывод и не требует дополнительной настройки на ввод символов в терминал с клавиатуры.

В общем, плата заработала - по экрану терминала побежали строчки лога загрузки: сначала от u-boot а потом и от ядра linux

Надо ли говорить как я обрадовался: во-первых схема работает правильно, а во-вторых - линукс на «апельсине» установлен верно, нормально работает в многопользовательском режиме

Неработающий HDMI-разъем и отсутствие Ethernet-интерфейса, таким образом связано с настройкой самого дистрибутива. Эти проблемы, разумеется будут решены и речь тут не о них. Поэтому перейдем к следующему пункту программы

5. Разводка печатной платы

Делал её в Altium Disigner. Разводку платы лучше делать после того, как куплены компоненты. Возможно, как и в моем случае, потребуется установка дополнительных библиотек компонентов для Altium. Размеры компонентов и топология посадочного места для каждого должны соответствовать фактически имеющимся деталям. Тут о меня не обошлось без досадной оплошности, но об этом ниже.

Скажу сразу - не пользуйтесь автоматической разводкой. Возможно это и настраивается, но авторазводка норовила протащить дорожку между ног у конденсаторов, что при расстоянии в 2 мм между ними делает дорожку шириной около четверти миллиметра, что для меня как для «чайника» было слишком круто. Да и интуиция подсказывала, что таких вещей желательно избегать. Поэтому я использовал ручную разводку (опираясь на результаты автоматической), задав в правилах разводки ширину дорог 0,5 мм (Design -> Rules -> Routing -> Width)

Кроме того, по умолчанию Altium полагает, что плата двухслойная. Чтобы заставить его разводить одностороннюю плату в правилах разводки следует указать разводку в одном слое, скажем в Top Layer

Схема была набрана в редакторе схем

При этом надо учитывать тот факт, что свободные неподпаянные входы микросхемы (ноги 8 и 10) следует подтянуть к земле, иначе Altium не скомпилирует схему для передачи её в редактор плат.

В итоге, путем самостоятельных ковыряний в программе и уроков Алексея Сабунина цель была достигнута и плата разведена

Все компоненты с монтажом в отверстия расположились с чистой стороны текстолита, а микросхема, в силу SMD-исполнения - со стороны дорожек. Для вывода разводки схемы на печать необходимо создать в проекте устройства так называемый Output Job File

Который настраивается следующим образом. В списке опций настройки выбираем Documentation Output и щелкаем на Add New Docimentation Outpu, выбирая в появившемся меню PCB Prints и проект платы, касающийся нашего устройства.

Переименовываем появившийся пункт документации, назовем его скажем LUT, по транслитерации технологии (ЛУТ), которую собираемся использовать для перевода рисунка платы на медь. Правой кнопкой мыши щелкаем по LUT и в контекстном меню выбираем Configure. В настройках слоев выводимых на печать оставляем только два пункта: Top Layer и Multi-layer и расставляем галки как показано на скрине

Галка Mirror нужна в частности для зеркального отображения рисунка на печати. Это важно, иначе при переводе рисунка на медь получится зеркальное отражение наших дорожек, а нам это не надо. Кроме того, следует заглянуть в Page Setup

Чтобы выбрать формат бумаги и обратить внимание на масштабный коэффициент (Scale). При первой печати он оказался равен 1,36 почему-то, а должен быть равен единице

Теперь жмем Print. У меня нет своего принтера, поэтому я распечатал в PDF используя Foxit Reader, а затем отнес полученный файл на флешке в ближайшую ко мне «шарашку», в которой распечатал рисунок на глянцевой фотобумаге. В итоге получилось вот это

Размер платы вышел 62 х 39 мм, по этому размеру ножницами по металлу вырезан кусочек текстолита. Раньше я пилил текстолит ножовкой и часто (а точнее всегда) это получалось ужасно. Ножницами же выходит ровненько, без мусора и повреждения токопроводящего слоя.

6. Изготовление печатной платы

Был выбран метод ЛУТ (лазерно-утюжная технология) из-за своей простоты и доступности. Руководством к действию послужила . Старался не нарушать технологию: прошелся по меди нулевкой, обезжирил, правда не ацетоном, ибо не нашел где купить, а универсальным обезжиривателем на основе уайт-спирита, купленным в Lerua Merlin. Тщательно и с усилием прогладил бутерброд из текстолита и рисунка уюгом на максимальной температуре. Или из-за того, что где-то ошибся, или потому что не дал остыть заготовке, или просто в «шарашке» экономят тонер на принтере, в общем вышло не очень

Однако, я благоразумно запасся перманентным маркером Edding 404, которым, не без помощи своей любимой жены (с прокачанным скилом подведения ресниц и рисования узоров на ногтях) обвел все дорожки

Далее был разведен раствор 6-ти водного хлорного железа из расчета около 180 грамм на 300 мл воды (воду набрал из-под крана, горячую) и плата была брошена на съедение в кювету для травления. Чтобы протравить плату и не отравить при этом жену, операцию производил на закате на балконе

«Хлоняк» не подвел, ходят ходят слухи что часто продают некачественный. Травление заняло 13 минут, последние островки меди уходили прямо на глазах. Главное не забывать периодически пинать плату пинцетом по кювете и следить за процессом. Как только лишняя медь исчезнет, достаем плату срочно и промываем обильным потоком воды.

После промывки, протирки и просушки настает момент истины. Надо снять защитное покрытие. Я пытался делать это уайт-спиритом,

Но дело шло туго. Потом жена предложила свою жидкость для снятия лака для ногтей - этот чудо-эликсир смыл покрытие мгновенно (я до сих пор в ужасе от того, какими реактивами пользуются наши женщины. Красота - страшная сила!)

Не подвел и маркер - все дорожки уцелели

После очистки защитного покрытия можно приступать к сверлению отверстий. И вот тут я совершил досадную ошибку - у меня не оказалось сверла на 0,5 мм, и вместо того чтобы отложить дело до завтра, купив нужное сверло, я поторопился и взял миллиметровое, посчитав что оно подойдет. В итоге я повредил многие контактные площадки, к счастью не сильно и не бесповоротно. Но все же никогда не спешите. Как говорил мой знакомый Марк из лаборатории кафедры мехатроники Мюнхенского университета, где я проходил преддипломную практику «Дмитрий, для каждой работы бери подходящий инструмент». И он был тысячу раз прав.

7. Лужение платы и пайка компонентов

Места пайки компонентов должны быть покрыты тонким блестящим слоем припоя. Это основное условие успешности работы. Я не стал лудить дорожки целиком. Во-первых, побоялся покоробить их, а во-вторых всё равно собирался покрывать плату цапон лаком. Так что я облудил лишь места пайки. Для этого кисточкой наносим на них канифольно-спиртовый флюс ЛТИ-120 и паяльником, разогретым до 250-300 градусов, с жала которого свисает крохотная капелька припоя, проводим по нужным точкам платы. За счет увеличения флюсом поверхностного натяжения припой растекается по точно контактным площадкам.

После этого была разобрана «макетка», проводки удалены с микросхемы и в первую очередь была припаяна она. Аккуратно руками или пинцетом помещаем микросхему на её место в соответствии с цоколевкой, так чтобы каждая ножка заняла свою площадку. Затем ряды ножек смазываем флюсом. Короткими и точными движениями касаемся всех ножек по очереди, не забывая набирать припой на жало паяльника (но не слишком много, достаточно маленькой капли). Если всё сделано верно, то ножки паяются к площадка очень быстро и точно, без «соплей» и перемыкания соседей. На запайку микросхемы у меня ушло меньше минуты, а я делаю это впервые. Вдохновило меня на этот подвиг такое видео , за что я очень благодарен его автору. Всё оказалось действительно не так страшно.

Похожим образом я разобрался и с остальными деталями. Главное тут аккуратно обрезать выводы деталей на нужную длину - я оставлял торчать над дорожкой не более миллиметра вывода, и правильно и аккуратно согнуть их, если требуется. Важно, крайне важно никуда не торопиться и делать всё вдумчиво. В итоге получилось то что получилось

От «соплей» уйти не удалось, но для первого раза вышло довольно сносно, хоть меня, вероятно и раскритикуют.

8. Проверка цепей и ещё одна досадная ошибка

После пайки смываем весь флюс спиртом, берем в руки мультиметр и звоним все цепи, с целью проверки их проводимости и соответствия принципиальной схеме. И вот тут бяка подкралась незаметно. Разъем COM-порта оказался распаяна зеркально! «Земля» сидела на первой ноге вместо пятой, Rx - на четвертой вместо второй. И я до сих пор не пойму как, ведь при разводке в Altium всё было верно. Это осталось для меня загадкой. Никакой загадки - просто имея по факту разъем «маму», при формировании схемы в Altium всё равно использовал «папу». Отсюда и зеркальная распайка, получившаяся в итоге. К счастью я решил эту проблему соответствующей распайкой кабеля, предназначенного для подключения девайса в COM-порту компьютера. Но из-за этой ошибки COM на плате оказался таким вот «проприетарным».

В остальном монтаж оказался верным и я, распаяв соединительные кабели и прибрав рабочее место, подключил новенькую плату к «апельсину» и компьютеру

По окну терминала снова побежали строки лога загрузки. Я был счастлив!

9. Наводим «красоту»

С целью защиты контактов от окисления и придания девайсу вида «промышленного» плата была окрашена зеленым цапон лаком. Все метки, нанесенные перед монтажем перманентным маркером были этим самым лаком смыты. Ну да ладно… Вот фото готового изделия вместе с комплектом кабелей

Теперь можно приступить к дальнейшей доводке ПО для «апельсина». Теперь я не буду слеп и нем, а смогу налаживать систему через последовательный терминал.

Заключение

Это было интересно. Интересно для меня, потому что впервые. Первое устройство спроектированное на компьютере и собранное на печатной плате своими руками. И если кто-то иронично усмехнется, то пусть вспомнит, что он тоже когда-то делал это впервые… Добавить метки

Конвертер USB-UART на CH340G:
дорабатываем до RS232TTL, тестируем, сравниваем

Апрель 2017 г.

1. Что такое TTL и при чём тут USB ?

Как-то на "Али" привлёк моё внимание очень недорогой конвертер USB-UART . Сначала я был не вполне уверен, что это за штука на самом деле. Название товара на английском выглядело так: "USB to TTL converter UART module CH340G CH340 3.3V 5V switch". Упоминание UART и микросхемы CH340G, вроде, рассеивало сомнения, но не нравилась фраза "USB to TTL", которая была видна также и на фотографии модуля, на его нижней стороне. Дело в том, что эта фраза не имеет смысла, а значит, открывает широкий простор для вольного толкования.

По идее в переводе на русский язык фраза "USB to TTL " должна означать "преобразование USB в TTL". Объяснять, что такое USB, сейчас никому не надо, а вот про TTL слышали не многие. Поэтому давайте обратимся к истории, и посмотрим, что такое TTL .

Интересно, что и Гугл и Яндекс на запрос "Что такое TTL" выдали ссылки про TTL из совсем другой области. Так что же это такое, применительно к электронике? Аббревиатура TTL на русском языке не отличается от англоязычного варианта и расшифровывается, как транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) . Изначально это понятие подразумевало особенности внутреннего строения некоторых цифровых микросхем, совокупность технических решений, включая схемотехнические и технологические. Кроме всего прочего, стандарт ТТЛ задавал и способ кодирования логических сигналов . Так, например, логический ноль кодировался напряжением, близким общему проводу питания. Причём общий провод подключался к минусу источника питания и принимался за нулевой потенциал - "земля". А логическая единица кодировалась напряжением, близким напряжению питания +5В. Само напряжение питания +5В тоже стало неотъемлемой частью стандарта ТТЛ.

Надо отметить, что микросхемы ТТЛ в своё время получили очень широкое распространение. В Советском Союзе, пожалуй, наиболее известной была серия К155. Широкое применение этих и им подобных микросхем заставило разработчиков аппаратуры в целях совместимости придерживаться тех же способов кодирования сигналов логического нуля и логической единицы, которые предусматривались стандартом ТТЛ.

Но ничего не стоит на месте. Микросхемы ТТЛ, построенные на биполярных транзисторах, вскоре стали устаревать. Они сильно проигрывали более современным микросхемам как по быстродействию, так и по потреблению энергии. Им на замену стали приходить другие семейства микросхем, основанные на МДП-структурах (металл-диэлектрик-полупроводник), а по-простому - на полевых транзисторах. Но стандарт кодирования сигналов устаревать не собирался, поэтому многие новые микросхемы, даже не имея прямого отношения к ТТЛ, сохраняли совместимость с ТТЛ. Сами же микросхемы ТТЛ постепенно стали частью истории (хотя в любительских конструкциях применяются по сей день), а их общее название - аббревиатура ТТЛ - обрело несколько иной смысл. Теперь ТТЛ следует толковать как "стандарт уровней напряжения для кодирования логических нуля и единицы, применявшийся в микросхемах ТТЛ".

И что же, с учётом вышесказанного, могут означать слова "USB to TTL"? Думаю, теперь понятно, почему эта фраза не имеет смысла.

2. Конвертер интерфейса на микросхеме CH340G

Данное изделие я в итоге заказал. Обошлось оно мне с пересылкой в 44,30 руб., то есть почти даром. Но это не тот случай, когда дёшево - значит плохо. При подключении он сразу определился в системе (Windows 8.1). Никаких проблем с драйверами не возникло. Ранее я уже подключал другой конвертер на CH340 (тот в виде шнура-переходника USB-COM), поэтому драйвер уже стоял. Надо сказать, что и в прошлый раз не было нужды искать драйвер и ставить его вручную - всё получилось в автоматическом режиме. Теперь же ранее установленный драйвер сразу признал новое устройство.

Как и следовало ожидать, это оказался конвертер USB-UART, вроде тех, что я покупал ранее . Из полезных сигналов на разъём модуля здесь тоже выведены только TXD и RXD. Меня, конечно, это не устраивало. Зная, что микросхема CH340G обеспечивает формирование полного* набора сигналов RS232 , я покупал этот модуль с расчётом на его дальнейшее усовершенствование. Кстати, столь низкая цена - это во многом следствие "неполноценности" данного модуля. С одними лишь сигналами TXD и RXD его возможности сильно ограничены. А вот с полным набором сигналов RS232 возможности модуля и область его применения становятся поистине неисчерпаемыми (вовсе не обязательно использовать входы-выходы RS232 строго по их назначению). Такой порт можно даже рассматривать, как малоразрядный параллельный порт с произвольной установкой сигналов на трёх выходах и произвольным опросом состояния четырёх входов. На этом сайте вы уже могли видеть разные варианты использования аналогичного модуля. Но конвертер с полным набором сигналов стоит обычно на порядок дороже. А зачем переплачивать? Для тех, кто дружит с паяльником, оптимальное решение - купить "полуфабрикат" и довести его до полноценного состояния.

* Под "полным" набором сигналов RS232 здесь будем подразумевать сигналы COM-порта , хотя стандарт RS232 предусматривает и многие другие сигналы, не используемые в COM.

Добавлю, что модуль имеет три светодиода (все красные), один из которых сигнализирует о подаче питающего напряжения от USB, а два других отображают состояние сигналов TXD и RXD (загораясь при логическом нуле, то есть при низком напряжении относительно GND).

3. Доработка модуля UART до полноценного RS232TTL

Вывод	Назначение
2	выход TXD
3	вход RXD
9	вход CTS
10	вход DSR
11	вход RI
12	вход DCD
13	выход DTR
14	выход RTS

Таб. 1. Нумерация выводов
микросхемы CH340G
с сигналами RS232

В общем-то, вся доработка заключалась только в том, чтобы подпаяться к соответствующим ножкам микросхемы. Для этого предварительно потребовалось прорезать окно в термоусадочной оболочке. Соответствие выводов микросхемы CH340G и сигналов RS232 смотрите в таблице Таб.1.

Как видно из таблицы, все сигналы, кроме TXD и RXD находятся на одной стороне микросхемы, но TXD и RXD уже выведены на разъём, поэтому паять дополнительные провода потребовалось лишь с одной стороны.

4. Тестирование конвертера на микросхеме CH340G

Чтобы убедиться в исправности модуля, и в том, что он действительно обеспечивает работу всех сигналов, свойственных COM-порту, я провёл его тщательное тестирование. Все тесты прошли, как говорится, без сучка без задоринки, из чего я делаю вывод, что данный конвертер интерфейса можно рекомендовать для использования в любых устройствах и конструкциях, требующих подключения к компьютеру по RS232TTL . В том числе для использования в роли программатора микроконтроллеров, как описано в статье .

Тестирование проводилось с помощью нескольких сценариев к программе Перпетуум М. Вы также можете протестировать свой конвертер. Скачайте (они упакованы в один архив) и отдельно . Не забудьте проверить и при необходимости поменять номер порта в сценариях, иначе они не будут работать. Узнать номер порта в вашем случае можно через диспетчер устройств Windows. В начале каждого сценария (а их можно открывать текстовым редактором, например, блокнотом) вы увидите строку "ИмяПорта="COM3";". Вместо цифры 3 поставьте ту цифру, которую нужно. Например, если при подключении модуля в диспетчере устройств появляется устройство COM4, то и в каждом сценарии нужно указать "COM4" вместо "COM3".

Теперь подробнее расскажу о ходе тестирования. Сначала я установил перемычку между штырьками разъёма TXD и RXD , чтобы данные передатчика сразу попадали в приёмник. Таким образом я "закольцевал" порт, чтобы он мог передавать данные самому себе. Это позволяет проверить одновременно и передатчик и приёмник без подключения к другому порту. Затем я запустил сценарий "Тест COM-порта путём перекачки через него файла" и выбрал случайно подвернувшийся файл размером 653 Кб. Копирование файла прошло успешно. Скопированный файл оказался абсолютно идентичен оригиналу, что говорит об исправности приёмника и передатчика модуля UART.

Далее я последовательно запускал сценарии "Тест выхода TXD COM-порта", "Тест выхода DTR COM-порта" и "Тест выхода RTS COM-порта", предварительно для каждого случая подключив вольтметр к соответствующему выходу. Вводя нули и единицы в диалоговое окно программы, я убедился, что они успешно отображаются на выходах порта. При этом выяснилось, что выход TXD отображает логические уровни без инверсии, то есть при выводе нуля появляется низкое напряжение, при выводе единицы - высокое, а выходы DTR и RTS работают с инверсией. Это нужно учитывать при использовании данного модуля в разработках.

Затем я запустил сценарий "Тест входов COM-порта", который в реальном времени отображает состояние сразу четырёх входов порта: CTS, DSR, RI, DCD. Через резистор 5,6К я стал один за другим соединять каждый из входов то с общим проводом (GND), то с линией питания +5В. Выяснилось следующее. Все входы работоспособны, все они при программном опросе выдают инверсное состояние. Все имеют "подтяжку" к напряжению питания, то есть "висячий" вход имеет уровень логической единицы и, соответственно, из-за инверсии программно читается как "0". При соединении входа через резистор 5,6К со штырьком разъёма GND каждый вход легко переходит в состояние логического нуля (программно читается как "1"), а значит сопротивление встроенной "подтяжки" по меньшей мере на порядок выше, чем 5,6К. Заметим, что в модулях на микросхеме PL2303 "перебить" встроенную "подтяжку" намного сложнее из-за её низкоомности.

Подведём итоги: кроме возможности последовательной передачи данных через UART, мы имеем три независимо управляемых выхода (TXD, DTR, RTS ), из которых один прямой (TXD) и два инверсных, а также четыре программно опрашиваемых инверсных входа с "подтяжкой" к напряжению питания (CTS, DSR, RI, DCD ). Если планируется задействование UART, то независимых выходов останется только два, так как выход TXD - это сигнал передатчика UART. Входов это не касается - их всё равно будет четыре.

Надо сказать ещё об одной возможности, которая якобы позволяет перестановкой перемычки менять уровень логической единицы на выходах в зависимости от того, каким напряжением питаются микросхемы, подключенные к данному модулю: 5В или 3,3В. То есть решается вопрос согласования уровней. Пишу об этой "фишке" с некоторым пренебрежением, потому что она реализована как-то странно и доверия не вызывает. Впрочем, особой необходимости в ней и нет, потому что согласовать уровни между 5В и 3.3В несложно и другими способами. А дело тут вот в чём. Модуль имеет три штырька: 5V, VCC и 3,3V. Перемычкой (она даже входит в комплект) можно замкнуть 5V и VCC, либо VCC и 3,3V. А можно и совсем её не ставить, так как при полном отсутствии перемычки всё работает так же, как если она установлена между VCC и 3,3V. Напряжение на штырьке 5V соответствует напряжению провода +5В порта USB. На штырьке VCC при отсутствии перемычки имеется напряжение около 3,8В, а на штырьке 3,3V - примерно 3,2В. Если перемычка установлена между 5V и VCC, то, в принципе, вопросов не возникает - работают уровни ТТЛ, то есть логическая единица достигает пяти вольт. Но если установить перемычку между VCC и 3,3V, то вопросы возникают, потому что при этом напряжение на штырьке 3,3V поднимается до 3,8В (как было на VCC до установки перемычки), а на выходах порта логическая единица достигает 3,6...3,8В, что многовато для 3,3В. Без установки перемычки на выходах уровень единицы тоже достигает 3,6...3,8В. Может, при этом ничего и не сгорит, но упор в предельно допустимые значения - не лучший фактор для надёжности.

5. Преимущества и недостатки конвертера на CH340G

Из недостатков я отметил лишь два мелких пустяка, на которые можно не обращать внимания при грамотном подходе. Один из них - не совсем удачное согласование со стандартом 3,3В. Но если вы не используете питание 3,3В, или используете, но задача согласования уровней не является для вас проблемой, то всё в порядке. Второй минус - все светодиоды данного модуля одного цвета - красные, что заставляет запоминать их расположение, если вы хотите по ним ориентироваться. Но в реальной практике необходимость в светодиодах не столь велика, а если они все-таки нужны, то можно их заменить своими.

Плюсов однозначно больше. Прежде всего, радует отсутствие проблем с драйверами. Как я уже сказал выше, для микросхем CH340 драйвера на Windows устанавливаются автоматически, включая последние версии ОС. А вот с конвертерами на микросхеме PL2303 всё намного сложнее. Для старых микросхем нет драйверов под новые версии Windows. А старых микросхем в прошлом было выпущено море. Если не ошибаюсь, это и послужило причиной того, что разработчики не стали поддерживать старые микросхемы. Вроде, там была какая-то проблема с авторскими правами - на рынке оказалось много контрафактных микросхем. И тогда разработчики, ничего принципиально не меняя в новой микросхеме, изменили лишь то, как она откликается на запрос драйвера. Грубо говоря, на вопрос "Ты кто?", новая микросхема стала отвечать: "Я Вася-плюс". А если драйвер получает ответ "Я Вася", то он говорит этой микросхеме: "Иди лесом, Вася без плюса". То есть чисто технически новый драйвер вполне мог бы работать и со старой микросхемой. Насколько я знаю, существуют даже способы обхода этой напасти - то ли как-то новый драйвер заставляют работать со старой микросхемой, то ли старый драйвер "прикручивают" к новой ОС.

Ещё одно удобство данного модуля состоит в том, что шаг расположения выводов у микросхемы CH340G значительно больше, поэтому паять намного легче. У этой микросхемы всего 16 выводов, среди которых в основном только всё самое необходимое, в отличие от PL2303, где, судя по всему, имеются выводы на все случаи жизни.

На мой взгляд, плюсом можно посчитать и высокоомность "подтяжки" входов, что уменьшает ток логического нуля, а значит, предъявляет меньше требований к источнику сигнала. Если же требования по защите от помех очень высоки, то можно без труда организовать дополнительную "подтяжку" внешним резистором. При использовании данного модуля в роли (см. рисунок справа) можно ставить все резисторы с одинаковым сопротивлением (1К...4,3К). То есть сильно занижать сопротивление на входе CTS не требуется.

Добавлю ещё, что в прошлом я проводил сравнительное тестирование двух конвертеров на микросхемах PL2303 и CH340 . Однозначно выиграл CH340 - в экстремальных режимах получить сбои в работе с ним было намного труднее. Хотя это был конвертер другой конструкции (шнур-переходник), но, как мне кажется, можно ожидать, что и другие модели конвертеров семейства CH340 не менее надёжны.

Если у вас есть вопросы или замечания по данной статье, пишите в или на почту mail.ru (ящик jkit).

Из переписки с посетителем сайта

12.05.2017 Гость:
Здравствуйте, Евгений.
.htm
У меня такой же конвертер (один в один).
Дело в том, что мне нужно перепрошить аппаратуру FlySky i6 на 10 каналов. Изначально перемычка стоит в положении "VCC-3V3". Я правильно понял, что её нужно так и оставить? Извините, но я не в теме, потому задаю этот вопрос. Не хочется что-нибудь спалить.

14.05.2017
Здравствуйте, Владимир!
Ответ на ваш вопрос зависит от технических характеристик той аппаратуры, к которой вы подключаете модуль на CH340G. Я с этой аппаратурой не сталкивался, поэтому точно ничего не могу сказать. Ссылка, которую вы дали выдаёт ошибку 404. Но, даже если бы ссылка работала, вряд ли бы я нашёл время детально разбираться в той аппаратуре. Попробуйте для начала VCC-3V3. Думаю, хуже не будет. На всякий случай поставьте резисторы по 1 кОм в каждый сигнальный провод (это из-за того, что фактически не 3,3 В, а больше).

14.05.2017 Гость:
Здравствуйте, Евгений.
Спасибо за совет! Действительно, лучше начать с малого.
А 1 кОм - это из расчета на какой ток было? (я просто не в курсе какие токи протекают по сигнальному проводу, и найти нигде не смог)

17.05.2017
Здравствуйте, Владимир!
Вопрос сформулирован некорректно. Зачем вам знать ток? 1 кОм я взял "на глазок", исходя из того, что если где-то даже каким-то образом к резистору аварийно приложится 5 В (а больше, по идее, поблизости и быть не должно), то ток составит 5 мА, что не должно привести к негативным последствиям.

17.05.2017 Гость:
Здравствуйте, Евгений.
Говорил про ток, т.к. если он приближен к нулю, то падения напряжения на резисторе не будет и на выходе будут те же 3,6 В вместо 3,3 В. Но смысл вашей перестраховки понял, спасибо за замечание.

19.05.2017
Здравствуйте, Владимир!
Там сплошь нелинейные элементы. И дело не в том, что лишние 0.3 В могут что-то пробить напряжением, а как раз в том, что даже небольшой прирост напряжения может внезапно вызвать нелинейно быстрый рост тока. Например, могут открыться защитные диоды на входах и т.п. Резистор придаёт линейности цепи и не допускает такого развития событий. А нормальные токи обычно маленькие (хотя и не всегда), поэтому резистор не должен помешать. Исключение - низкоомная подтяжка на входе. Тогда резистор не позволит её "побороть" и ничего не заработает. Это выявляется осциллографом, или даже вольтметром (в статическом режиме).

19.05.2017 Гость:
Здравствуйте, Евгений.
Спасибо большое за детальное разъяснение. Теперь хоть понимаю сам механизм такой защиты. А то я уж думал, что китайцы могли специально завысить напряжение с учетом падения при включении нагрузки. Теперь понятно, что это просто недочет.

20.05.2017
Здравствуйте, Владимир!
Чтобы напряжение не "проседало" при подключении нагрузки, повышают нагрузочную способность выхода. "Лишнее" напряжение для этого не добавляют. Конечно, 3,6 В вместо 3,3 В - это не так уж много, и вряд ли что-то из-за этого сломается. Но 3,8 В подавать на вход микросхемы, питающейся от источника 3,3 В опасно, так как лишние 0,5 В уже вполне способны открыть защитный диод на входе, и, если нагрузочная способность выхода велика, он может повредить подключенный к нему вход. "Страховочный" резистор этому препятствует.

Использование материалов данного сайта в публикациях допустимо только при условии сопровождения этих материалов ссылками на источник - сайт сайт с указанием автора: Е.А.Котов. Авторские права защищены законами РФ. Евгений Котов. 2017г.