Modul convertor RS232 la TTL MAX3232, conector DB9 mama, alimentare 3.3-5V, 4 pini TTL

Modulul RS232 la TTL cu MAX3232 face legatura intre un port serial RS232 clasic, cu conector DB9, si un microcontroler care lucreaza la nivele logice de 3.3 V sau 5 V. Il folositi cand vreti sa conectati aparate mai vechi sau industriale, cum sunt echipamente de laborator, cititoare, console de router, module GSM sau PLC-uri, ori cand vreti sa comunicati cu un port COM de calculator.

In acest tutorial folosim o placa Arduino Uno R3, pentru ca modulul doar converteste nivelurile de semnal si are nevoie de un microcontroler care sa trimita si sa primeasca datele. Testul consta intr-o legatura seriala in ambele sensuri intre Arduino si un calculator, printr-un cablu USB la RS232.

Cum functioneaza:

Un microcontroler produce niveluri TTL, adica 0 V pentru logic 0 si 3.3 V sau 5 V pentru logic 1. Standardul RS232 foloseste alte niveluri si logica inversata: un 1 logic este o tensiune negativa, intre -3 V si -15 V, iar un 0 logic este o tensiune pozitiva, intre +3 V si +15 V. Daca ati lega direct un port RS232 la un pin Arduino, ati depasi tensiunea suportata de pin si l-ati putea strica.

Circuitul integrat MAX3232 (U1 pe placa) rezolva problema. Are doua drivere si doua receptoare, iar modulul foloseste un singur canal. O pompa de tensiune formata din condensatoarele C1 - C4 de 100 nF produce din alimentarea de 3.3 - 5 V tensiunile pozitive si negative necesare liniei RS232. Condensatorul C5 filtreaza alimentarea. Circuitul integrat lucreaza intre 3.0 V si 5.5 V si ajunge la 250 kbit/s.

Pe conectorul DB9 mama, pinul 2 este iesirea de transmisie a modulului, pinul 3 este intrarea de receptie si pinul 5 este masa. Nu exista linii de control al fluxului. Pe partea TTL, pinul RXD este iesirea modulului catre pinul de receptie al microcontrolerului, iar pinul TXD este intrarea modulului dinspre pinul de transmisie al microcontrolerului. Din acest motiv legatura se face direct, RXD la RX si TXD la TX, fara incrucisare.

La 9600 baud cu formatul 8N1, fiecare caracter ocupa 10 biti, adica un bit de start, opt biti de date si un bit de stop. Durata unui bit este 1 / 9600, adica aproximativ 104 microsecunde, iar un caracter dureaza aproximativ 1.04 ms. Rezulta cam 960 de caractere pe secunda.

Conectare:

Alimentati modulul de la pinul 5V al placii Arduino Uno, care ii da nivele logice de 5 V, potrivite pentru Uno. Daca folositi o placa de 3.3 V, alimentati modulul tot la 3.3 V. Placa Arduino ramane alimentata prin USB de la calculator. Nu legati niciodata pinii conectorului DB9 direct la pinii Arduino. La Arduino se leaga numai cei patru pini din headerul TTL, marcati GND, TXD, RXD si VCC.

Conectorul DB9 al modulului este mama si intra direct intr-un conector DB9 tata, cum este cel al unui cablu USB la RS232 sau al unui port COM de calculator. Daca aparatul pe care il conectati are tot un conector mama, folositi un cablu null-modem.

Am ales pinii D10 si D11 cu biblioteca SoftwareSerial pentru ca pinii D0 si D1 ai placii Uno sunt folositi de portul serial hardware, care comunica cu Serial Monitor prin USB. In acest fel puteti vedea mesajele pe calculator fara sa deconectati nimic.

Butoane, reglaje si indicatoare:

Modulul nu are butoane, potentiometre, jumperi sau comutatoare, deci nu exista nimic de reglat. Are un singur indicator si doua conectoare.

Dupa ce ati facut legaturile si ati conectat Arduino la USB, LED-ul D1 trebuie sa se aprinda imediat. Acesta este singurul semn vizibil ca modulul este alimentat. Pentru a vedea ca si transferul de date functioneaza, folositi programul de mai jos.

Placa si biblioteci:

In Arduino IDE selectati placa Arduino Uno din Tools > Board, din pachetul Arduino AVR Boards, care vine cu Arduino IDE si se poate gasi in Boards Manager. Nu trebuie instalata nicio biblioteca, pentru ca SoftwareSerial face parte din Arduino IDE.

Pe calculator aveti nevoie si de un program terminal pentru portul COM al cablului USB la RS232, de exemplu PuTTY pe Windows sau screen pe Linux si macOS.

Codul:

Programul trimite din doua in doua secunde un mesaj numerotat spre portul RS232 si afiseaza pe Serial Monitor tot ce primeste de acolo. Totodata, ce scrieti in Serial Monitor este trimis mai departe pe linia RS232.

/*
  RS232 to TTL converter module (MAX3232) - two-way serial test
  Board (Arduino IDE, Tools > Board): Arduino Uno
  Board package: Arduino AVR Boards (comes with the Arduino IDE)
  Libraries: none to install. SoftwareSerial is included with the Arduino IDE.
  Wiring:
    Module VCC -> Arduino 5V
    Module GND -> Arduino GND
    Module RXD -> Arduino D10 (SoftwareSerial RX)
    Module TXD -> Arduino D11 (SoftwareSerial TX)
    Module DB9 female -> USB to RS232 cable with DB9 male, connected to the PC
  Settings: 9600 baud, 8N1 on the Serial Monitor and on the terminal
  of the USB to RS232 cable (for example PuTTY).
*/
#include <SoftwareSerial.h>
const uint8_t RX_PIN = 10;                  // Arduino receives here (module RXD)
const uint8_t TX_PIN = 11;                  // Arduino transmits here (module TXD)
const unsigned long BAUD_RATE = 9600;       // Same speed on all sides
const unsigned long SEND_INTERVAL = 2000;   // Time between test messages in ms
const uint8_t BUFFER_SIZE = 64;             // Maximum length of a received line
SoftwareSerial rs232(RX_PIN, TX_PIN);       // Software serial port for the module
char rxBuffer[BUFFER_SIZE];                 // Buffer for the line received from RS232
uint8_t rxIndex = 0;                        // Current position in the buffer
unsigned long lastSendTime = 0;             // Time of the last test message
unsigned int counter = 0;                   // Number of test messages sent
void setup() {
  Serial.begin(BAUD_RATE);                  // USB serial port for the Serial Monitor
  rs232.begin(BAUD_RATE);                   // Serial port to the RS232 module
  Serial.println(F("RS232 to TTL test started at 9600 baud."));
  Serial.println(F("Open a terminal on the COM port of the USB-RS232 cable (9600, 8N1)."));
}
void loop() {
  // Read what arrives from the RS232 side and print it as a line
  while (rs232.available() > 0) {
    char c = rs232.read();
    if (c == '\n' || c == '\r') {
      if (rxIndex > 0) {                    // Ignore empty lines
        rxBuffer[rxIndex] = '\0';           // End the string
        Serial.print(F("Received from RS232: "));
        Serial.println(rxBuffer);
        rxIndex = 0;                        // Start a new line
      }
    } else if (rxIndex < BUFFER_SIZE - 1) {
      rxBuffer[rxIndex++] = c;              // Store the character
    }
  }
  // Forward what you type in the Serial Monitor to the RS232 side
  while (Serial.available() > 0) {
    rs232.write(Serial.read());
  }
  // Send a numbered test message at a fixed interval
  if (millis() - lastSendTime >= SEND_INTERVAL) {
    lastSendTime = millis();
    counter++;
    rs232.print(F("Hello from Arduino #"));
    rs232.print(counter);
    rs232.print(F("\r\n"));                 // Line end for the terminal
    Serial.print(F("Sent to RS232: Hello from Arduino #"));
    Serial.println(counter);
  }
}

Cum functioneaza codul:

La inceput sunt definite constantele RX_PIN (10) si TX_PIN (11), viteza BAUD_RATE (9600), intervalul SEND_INTERVAL (2000 ms) si dimensiunea BUFFER_SIZE (64) a liniei primite. Obiectul rs232 este portul serial software creat cu SoftwareSerial pe pinii D10 si D11. Variabilele rxBuffer, rxIndex, lastSendTime si counter retin linia in curs de receptie, pozitia in ea, momentul ultimului mesaj trimis si numarul mesajelor trimise.

In functia setup() pornim portul serial hardware Serial pentru Serial Monitor si portul rs232 spre modul, amandoua la 9600 baud, apoi afisam doua mesaje de pornire.

In functia loop() facem trei lucruri. Mai intai citim caracterele sosite de la modul cu rs232.read() si le adunam in rxBuffer. Cand apare un sfarsit de linie ('\n' sau '\r') si bufferul nu este gol, incheiem sirul cu '\0' si il afisam cu prefixul Received from RS232. Liniile goale sunt ignorate, iar bufferul nu poate fi depasit.

Apoi retransmitem pe linia RS232 tot ce scrieti in Serial Monitor, caracter cu caracter, cu rs232.write(Serial.read()). La final, cu millis(), verificam daca au trecut 2000 ms de la ultimul mesaj. Daca da, incrementam counter, trimitem textul Hello from Arduino # urmat de numar si de sfarsitul de linie \r\n si afisam acelasi mesaj si in Serial Monitor.

Rezultat:

Deschideti Serial Monitor la 9600 baud si un terminal (PuTTY sau screen) pe portul COM al cablului USB la RS232, tot la 9600 baud, 8N1. In Serial Monitor apar mesajele trimise la fiecare doua secunde, iar in terminal apare textul Hello from Arduino cu numarul mesajului. Ce scrieti in terminal si trimiteti cu Enter apare in Serial Monitor, cu prefixul Received from RS232.

RS232 to TTL test started at 9600 baud.
Open a terminal on the COM port of the USB-RS232 cable (9600, 8N1).
Sent to RS232: Hello from Arduino #1
Sent to RS232: Hello from Arduino #2
Received from RS232: Test from PC
Sent to RS232: Hello from Arduino #3
Sent to RS232: Hello from Arduino #4
Received from RS232: Second message
Sent to RS232: Hello from Arduino #5

Probleme frecvente:

LED-ul D1 nu se aprinde. Cauza este lipsa alimentarii modulului. Verificati legaturile VCC la 5V si GND la GND, precum si sensul conectarii pe headerul TTL, unde marcajele sunt GND, TXD, RXD, VCC.

Nu se primeste nimic in Serial Monitor sau in terminal. Cauza poate fi cablul sau firele de date. Verificati ca terminalul foloseste portul COM corect, la 9600 baud, 8N1. Daca aparatul extern are conector DB9 mama, folositi un cablu null-modem. Daca legaturile sunt corecte si tot nu apar date, inversati firele de la pinii D10 si D11, pentru ca marcajele RXD si TXD pot diferi de la o varianta de placa la alta.

In terminal apar caractere ciudate. Cauza este o viteza diferita pe cele doua parti sau lipsa masei comune. Setati aceeasi viteza si acelasi format peste tot si verificati legatura GND.

Datele se pierd sau se strica la viteze mari. Cauza este biblioteca SoftwareSerial, care nu este fiabila la viteze mari pe Arduino Uno. Folositi 9600 baud sau cel mult 19200 baud, ori un port serial hardware.

Placa de 3.3 V se comporta instabil sau se incalzeste. Cauza este alimentarea modulului la 5 V, care ii da nivele logice de 5 V. Alimentati modulul de la 3.3 V.

Limitari si sfaturi:

Modulul converteste doar semnalele TX, RX si masa. Nu exista linii de control al fluxului (RTS, CTS), deci nu este potrivit pentru echipamente care le cer. Viteza maxima a circuitului MAX3232 este de 250 kbit/s, iar partea TTL accepta alimentare intre 3.3 V si 5 V.

Pentru legaturi lungi folositi cabluri ecranate si pastrati masa comuna. Cu acest modul puteti construi un jurnal de date de la un aparat cu port serial, o punte intre un echipament industrial si o placa cu microcontroler sau o consola seriala pentru un router.