Circuit integrat CH340G, convertor USB la UART, SOP-16, 3,3 V sau 5 V, până la 2 Mbps

Der Chip CH340G ist ein USB-zu-UART-Wandler, den Sie verwenden, wenn Sie einen Mikrocontroller oder ein Modul mit serieller Schnittstelle an einen USB-Anschluss des Computers anschließen möchten. In diesem Tutorial verwenden wir ihn als USB-TTL-Adapter für ein Arduino-Uno-Board, die Plattform ist also Arduino Uno. Das Board sendet Nachrichten über die Pins 10 und 11 eines seriellen Software-Ports, und Sie lesen sie auf dem Computer über einen zweiten seriellen Port, der vom CH340G erzeugt wird.

Die minimale Beschaltung des Chips besteht aus einem Quarz mit 12 MHz, zwei Kondensatoren mit 33 pF, zwei Kondensatoren mit 0.1 uF und einem USB-Anschluss. Wenn Sie diese auf einem Adapter SOP-16 zu DIP oder auf einer eigenen Platine untergebracht haben, verhält sich der Chip wie jeder andere USB-TTL-Adapter.

So funktioniert es:

Der Computer spricht USB, der Mikrocontroller spricht UART TTL, also zwei Leitungen (TXD und RXD), die im Ruhezustand auf logisch hohem Pegel liegen. Der CH340G empfängt die USB-Pakete auf den Leitungen D+ und D-, wandelt sie in serielle Bytes um und sendet diese über TXD. In umgekehrter Richtung wandelt er die auf RXD empfangenen Bytes in USB-Pakete um. Auf dem Computer erscheint ein virtueller serieller Port.

Der Arbeitstakt beträgt 12 MHz und stammt von einem externen Quarz, der zwischen den Pins XI und XO angeschlossen ist, mit je einem Kondensator von 33 pF gegen Masse. Aus diesem Takt wird die serielle Geschwindigkeit erzeugt. Startet der Oszillator nicht, erscheint der serielle Port nicht auf dem Computer.

Ein im Format 8N1 übertragenes Byte besteht aus 10 Bits: einem Startbit, 8 Datenbits und einem Stoppbit. Bei 9600 Baud dauert ein Bit 1 / 9600 = 104.2 us, also dauert ein Byte 10 x 104.2 us = 1.04 ms, und es lassen sich etwa 960 Bytes pro Sekunde übertragen. Bei 115200 Baud dauert ein Bit 8.68 us, und der Durchsatz erreicht etwa 11520 Bytes pro Sekunde.

Die Logikpegel hängen von der Versorgungsspannung ab. Bei 5 V akzeptiert der Chip einen High-Pegel ab 2.3 V aufwärts, und der Ausgang erreicht mindestens VCC - 0.6 V bei 2 mA, was zum Arduino Uno passt. Bei 3.3 V akzeptiert er einen High-Pegel ab 1.9 V aufwärts, und die Ausgänge schwingen bis 3.3 V, geeignet für ESP32 oder STM32.

Anschluss:

Versorgen Sie den Chip mit 5 V von der Leitung VBUS des USB-Anschlusses, zum Beispiel über ein Micro-USB-Modul mit Stiftleisten. Bei 5 V betragen die Ausgänge 5 V, kompatibel mit dem Arduino Uno, daher benötigen Sie weder einen Pegelwandler noch Pull-up-Widerstände. Die Masse des Arduino muss unbedingt mit der Masse des Chips verbunden werden. Die Pins MODEM und der Pin R232 bleiben unbeschaltet.

Der Arduino Uno bleibt mit seinem eigenen USB-Kabel am Computer angeschlossen, zum Programmieren und für die Debug-Meldungen. Der CH340G wird an einen zweiten USB-Anschluss angeschlossen, und auf dem Computer erscheinen dann zwei verschiedene serielle Ports.

Board und Bibliotheken:

Wählen Sie in der Arduino IDE unter Tools > Board das Board Arduino Uno aus dem Paket Arduino AVR Boards, das zusammen mit der Arduino IDE installiert wird. Das Programm verwendet nur die Bibliothek SoftwareSerial, die in der Arduino IDE enthalten ist, daher muss keine Bibliothek über den Library Manager installiert werden. Installieren Sie auf dem Computer den VCP-Treiber für CH340, falls das Betriebssystem ihn nicht selbst findet.

Der Code:

Das Programm sendet alle 2 Sekunden eine nummerierte Nachricht über den CH340G, liest die Textzeilen ein, die vom Computer kommen, und sendet sie mit einem Präfix zurück.

/*
  CH340G USB to UART bridge test
  Board: Arduino Uno (Tools > Board > Arduino AVR Boards > Arduino Uno)
  Libraries: SoftwareSerial (included with Arduino IDE, nothing to install)
  Wiring:
    CH340G pin 2 (TXD) -> Arduino Uno pin 10 (software RX)
    CH340G pin 3 (RXD) -> Arduino Uno pin 11 (software TX)
    CH340G pin 1 (GND) -> Arduino Uno GND
  The CH340G circuit is powered at 5 V from its own USB connector.
  Open the serial port created by the CH340G at 9600 baud on the computer.
*/
#include <SoftwareSerial.h>
const uint8_t PIN_BRIDGE_RX = 10;                 // Arduino receives from CH340G TXD
const uint8_t PIN_BRIDGE_TX = 11;                 // Arduino sends to CH340G RXD
const unsigned long SEND_INTERVAL_MS = 2000;      // Time between messages
const unsigned int MAX_LINE_LENGTH = 64;          // Longest line kept in memory
SoftwareSerial bridge(PIN_BRIDGE_RX, PIN_BRIDGE_TX);  // Software serial port to the CH340G
unsigned long lastSend = 0;     // Time of the last message
unsigned long messageCount = 0; // Number of messages sent
String rxLine = "";             // Text received from the computer
void setup() {
  Serial.begin(9600);           // Normal Uno USB port, used for debugging
  bridge.begin(9600);           // Link to the CH340G at 9600 baud
  Serial.println(F("CH340G bridge test started"));
  bridge.println(F("CH340G link ready, 9600 baud"));
}
void loop() {
  // Send a numbered message at a fixed interval
  if (millis() - lastSend >= SEND_INTERVAL_MS) {
    lastSend = millis();
    messageCount++;
    bridge.print(F("Message "));
    bridge.print(messageCount);
    bridge.println(F(" from Arduino Uno"));
    Serial.print(F("Sent message "));
    Serial.print(messageCount);
    Serial.println(F(" to CH340G"));
  }
  // Read characters sent by the computer through the CH340G
  while (bridge.available() > 0) {
    char c = bridge.read();
    if (c == '\n' || c == '\r') {
      // End of line: echo it back with a prefix
      if (rxLine.length() > 0) {
        bridge.print(F("Received: "));
        bridge.println(rxLine);
        Serial.print(F("Text from CH340G: "));
        Serial.println(rxLine);
        rxLine = "";
      }
    } else if (rxLine.length() < MAX_LINE_LENGTH) {
      rxLine += c;              // Collect the characters of the line
    }
  }
}

So funktioniert der Code:

Am Anfang wird SoftwareSerial eingebunden und die Pins PIN_BRIDGE_RX (10) und PIN_BRIDGE_TX (11) werden definiert. Danach wird das Objekt bridge erzeugt, das einen seriellen Software-Port zum CH340G realisiert. Die Variablen lastSend, messageCount und rxLine speichern den Zeitpunkt der letzten Nachricht, die Nummer der Nachricht und die empfangene Textzeile.

In setup() wird der Port Serial mit 9600 Baud für die übliche Verbindung des Boards mit dem Computer gestartet und der Port bridge mit 9600 Baud für den CH340G. Danach wird mit bridge.println() eine Startnachricht gesendet.

In loop() wird zuerst mit millis() geprüft, ob SEND_INTERVAL_MS Millisekunden vergangen sind. Ist das der Fall, wird messageCount erhöht, und die Nachricht wird über bridge gesendet und auf Serial angezeigt. Solange bridge.available() empfangene Bytes meldet, wird jedes Zeichen mit bridge.read() gelesen und an rxLine angehängt. Beim Empfang eines Zeilenumbruchs wird der Text mit dem Präfix Received zurückgesendet, die Zeile auf Serial ausgegeben und rxLine geleert. Die Länge der Zeile ist auf 64 Zeichen begrenzt, damit der Speicher des Boards nicht überläuft.

Ergebnis:

Öffnen Sie den Serial Monitor der Arduino IDE am Port des Arduino Uno mit 9600 Baud. Auf einem zweiten Port, dem vom CH340G erzeugten, öffnen Sie ein Terminalprogramm wie PuTTY oder Tera Term, ebenfalls mit 9600 Baud. Im Terminal erscheint alle 2 Sekunden eine nummerierte Nachricht. Senden Sie aus dem Terminal eine Textzeile, die mit Enter abgeschlossen wird, erhalten Sie dieselbe Zeile mit dem Präfix Received zurück, und im Serial Monitor des Boards erscheint der über den CH340G empfangene Text.

CH340G bridge test started
Sent message 1 to CH340G
Sent message 2 to CH340G
Text from CH340G: hello uno
Sent message 3 to CH340G
Sent message 4 to CH340G
Text from CH340G: test 123
Sent message 5 to CH340G
Sent message 6 to CH340G

Häufige Probleme:

Der serielle Port erscheint nicht auf dem Computer. Die häufige Ursache ist ein Oszillator, der nicht startet, oder eine fehlerhafte Verbindung. Überprüfen Sie den Quarz mit 12 MHz zwischen den Pins 7 und 8, die beiden Kondensatoren mit 33 pF gegen Masse und die Versorgung am Pin 16. Prüfen Sie auch, ob der Pin 4 einen Kondensator mit 0.1 uF gegen Masse hat.

Windows meldet ein unbekanntes USB-Gerät. Mögliche Ursachen sind vertauschte Datenleitungen D+ und D- oder Widerstände, die in Reihe auf ihnen eingebaut sind. Verbinden Sie die Pins 5 und 6 direkt mit D+ und D-, in der richtigen Reihenfolge und ohne Widerstände.

Es erscheinen unsinnige Zeichen. Die Geschwindigkeit des Programms unterscheidet sich von der des Terminals, oder der Quarz hat nicht die richtige Frequenz. Stellen Sie im Programm und im Terminal dieselbe Geschwindigkeit ein, 9600 Baud, und verwenden Sie einen Quarz mit 12 MHz mit den empfohlenen Kondensatoren.

Es wird in keiner Richtung etwas empfangen. Am häufigsten sind TXD und RXD direkt an denselben Pin-Typ angeschlossen, oder die gemeinsame Masse fehlt. TXD des Chips muss an RX des Boards, RXD an TX angeschlossen werden, und die Masse des Arduino muss mit der Masse des Chips verbunden werden.

Es funktioniert nicht mit 3.3 V. In diesem Modus muss der Pin V3 mit dem Pin VCC verbunden und von 3.3 V versorgt werden. Bleibt er wie bei 5 V mit einem Kondensator gegen Masse beschaltet, hat der Chip keine korrekte interne Versorgung.

Der Chip wird heiß oder fällt aus. Die Versorgung überschreitet den zulässigen Bereich oder die Polarität ist vertauscht. Bei 5 V muss die Spannung zwischen 4.0 und 5.3 V bleiben, und die maximale absolute Spannung an VCC beträgt 6 V.

Einschränkungen und Tipps:

Der CH340G benötigt einen externen Quarz mit 12 MHz, im Gegensatz zu Varianten mit internem Takt. Die serielle Geschwindigkeit erreicht 2 Mbps, aber für hohe Datenraten, über 1 Mbps in eine Richtung, wird eine Schaltung mit Hardware-Flusssteuerung empfohlen. Auf dem Arduino Uno ist die Bibliothek SoftwareSerial nur bei niedrigen Geschwindigkeiten zuverlässig. Für hohe Geschwindigkeiten verwendet man den seriellen Hardware-Port.

Bei einer Versorgung von 3.3 V müssen alle angeschlossenen Schaltungen mit höchstens 3.3 V arbeiten. Für Schnittstellen RS232, RS485 oder RS422 wird eine Pegelwandlerschaltung ergänzt, zum Beispiel MAX3232 für RS232. Mit derselben Schaltung können Sie einen eigenen USB-TTL-Adapter zur Programmierung anderer Boards oder ein Kabel USB zu RS232 bauen.