RS232 - TTL átalakító modul MAX3232, DB9 anya csatlakozóval, 3.3-5V tápellátás, 4 tüskés TTL

Az MAX3232-es RS232-TTL modul összeköti a klasszikus, DB9-es csatlakozóval rendelkező soros RS232 portot és a 3.3 V vagy 5 V logikai szinten működő mikrokontrollert. Akkor használjátok, ha régebbi vagy ipari készülékeket szeretnétek csatlakoztatni, mint például laboratóriumi műszereket, olvasókat, router-konzolokat, GSM modulokat vagy PLC-ket, illetve ha egy számítógép COM portjával szeretnétek kommunikálni.

Ebben a bemutatóban Arduino Uno R3 kártyát használunk, mert a modul csak a jelszinteket alakítja át, és szüksége van egy mikrokontrollerre, amely elküldi és fogadja az adatokat. A teszt egy soros kapcsolat kétirányú működését ellenőrzi az Arduino és egy számítógép között, USB-RS232 kábelen keresztül.

Működése:

A mikrokontroller TTL szinteket állít elő, vagyis 0 V a logikai 0-hoz, és 3.3 V vagy 5 V a logikai 1-hez. Az RS232 szabvány más szinteket és fordított logikát használ: a logikai 1 negatív feszültség, -3 V és -15 V között, a logikai 0 pozitív feszültség, +3 V és +15 V között. Ha az RS232 portot közvetlenül egy Arduino lábhoz kötnétek, túllépnétek a láb által elviselt feszültséget, és tönkretehetnétek.

Az MAX3232 integrált áramkör (a kártyán U1) megoldja ezt a problémát. Két meghajtója és két vevője van, de a modul csak az egyik csatornát használja. A C1 - C4 100 nF-os kondenzátorokból álló töltéspumpa a 3.3 - 5 V-os tápfeszültségből előállítja az RS232 vonalhoz szükséges pozitív és negatív feszültségeket. A C5 kondenzátor szűri a tápfeszültséget. Az integrált áramkör 3.0 V és 5.5 V között működik, és legfeljebb 250 kbit/s sebességre képes.

A DB9 anyacsatlakozón a 2-es láb a modul adókimenete, a 3-as láb a vételi bemenet, az 5-ös láb pedig a föld. Nincsenek vezérlő vonalak az adatfolyam szabályozására. A TTL oldalon az RXD láb a modul kimenete a mikrokontroller vételi lábához, a TXD láb pedig a modul bemenete a mikrokontroller adólábától. Emiatt a kapcsolat közvetlenül történik, RXD az RX-hez és TXD a TX-hez, keresztezés nélkül.

9600 baud sebességen, 8N1 formátummal minden karakter 10 bitet foglal el, vagyis egy start bitet, nyolc adatbitet és egy stop bitet. Egy bit időtartama 1 / 9600, azaz körülbelül 104 mikroszekundum, egy karakter pedig körülbelül 1.04 ms ideig tart. Ez nagyjából 960 karaktert jelent másodpercenként.

Csatlakoztatás:

A modult az Arduino Uno 5V lábáról táplálják, amely 5 V-os logikai szintet ad, ami az Uno-hoz megfelelő. Ha 3.3 V-os kártyát használtok, a modult is 3.3 V-ról táplálják. Az Arduino kártya USB-n keresztül a számítógépről kapja a tápot. Soha ne kössétek a DB9 csatlakozó lábait közvetlenül az Arduino lábaihoz. Az Arduinóhoz csak a TTL headeren lévő négy lábat kell kötni, amelyek jelölése GND, TXD, RXD és VCC.

A modul DB9 csatlakozója anyacsatlakozó, és közvetlenül egy apa DB9 csatlakozóba illeszthető, például egy USB-RS232 kábel vagy a számítógép COM portjának csatlakozójába. Ha a csatlakoztatni kívánt készülék szintén anyacsatlakozóval rendelkezik, használjatok null-modem kábelt.

A D10 és D11 lábakat a SoftwareSerial könyvtárral választottuk, mert az Uno D0 és D1 lábait a hardveres soros port használja, amely USB-n keresztül kommunikál a Serial Monitorral. Így a számítógépen látható az üzenetek anélkül, hogy bármit le kellene választani.

Gombok, beállítások és jelzőfények:

A modulon nincsenek gombok, potenciométerek, jumperek vagy kapcsolók, így nincs mit állítani. Egy jelzőfénye és két csatlakozója van.

Miután elvégeztétek a kötéseket, és az Arduinót USB-re csatlakoztattátok, a D1 LED-nek azonnal fel kell gyulladnia. Ez az egyetlen látható jel arra, hogy a modul kap tápot. Az adatátvitel működésének ellenőrzéséhez használjátok az alábbi programot.

Kártya és könyvtárak:

Az Arduino IDE-ben válasszátok ki az Arduino Uno kártyát a Tools > Board menüben, az Arduino AVR Boards csomagból, amely az Arduino IDE-vel együtt érkezik, és a Boards Managerben is megtalálható. Nem kell könyvtárat telepíteni, mert a SoftwareSerial része az Arduino IDE-nek.

A számítógépen szükségetek lesz egy terminálprogramra is az USB-RS232 kábel COM portjához, például PuTTY-ra Windowson, vagy screen-re Linuxon és macOS-en.

A kód:

A program kétmásodpercenként egy számozott üzenetet küld az RS232 portra, és kiírja a Serial Monitorra mindazt, amit onnan kap. Ezzel egyidejűleg, amit a Serial Monitorba írtok, tovább küldi az RS232 vonalra.

/*
  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);
  }
}

A kód működése:

Először definiáljuk a RX_PIN (10) és TX_PIN (11) konstansokat, a BAUD_RATE (9600) sebességet, a SEND_INTERVAL (2000 ms) időközt és a fogadott sor BUFFER_SIZE (64) méretét. Az rs232 objektum a D10 és D11 lábakon a SoftwareSerial segítségével létrehozott szoftveres soros port. Az rxBuffer, rxIndex, lastSendTime és counter változók tárolják az éppen fogadott sort, a sorban lévő pozíciót, az utolsó üzenet küldésének idejét, valamint az elküldött üzenetek számát.

A setup() függvényben elindítjuk a Serial hardveres soros portot a Serial Monitorhoz, és az rs232 portot a modulhoz, mindkettőt 9600 baud sebességgel, majd kiírunk két indítóüzenetet.

A loop() függvényben három dolgot végzünk. Először az rs232.read() függvénnyel beolvassuk a modulból érkező karaktereket, és hozzáadjuk őket az rxBuffer-hez. Ha sorvég jel ('\n' vagy '\r') érkezik, és a buffer nem üres, lezárjuk a szöveget '\0' karakterrel, és kiírjuk a Received from RS232 előtaggal. Az üres sorokat figyelmen kívül hagyjuk, és a buffer túlcsordulását is megakadályozzuk.

Ezután az rs232.write(Serial.read()) segítségével karakterenként továbbítjuk az RS232 vonalra mindazt, amit a Serial Monitorba írtok. Végül a millis() függvénnyel ellenőrizzük, hogy eltelt-e 2000 ms az utolsó üzenet óta. Ha igen, megnöveljük a counter értékét, elküldjük a Hello from Arduino # szöveget a számmal és a \r\n sorvégjellel, és ugyanezt az üzenetet kiírjuk a Serial Monitorra is.

Eredmény:

Nyissátok meg a Serial Monitort 9600 baud sebességgel, és egy terminált (PuTTY vagy screen) az USB-RS232 kábel COM portján, szintén 9600 baud sebességgel, 8N1 formátumban. A Serial Monitorban két másodpercenként megjelennek az üzenetek, a terminálban pedig a Hello from Arduino szöveg a számozott üzenettel. Amit a terminálba írtok és Enterrel elküldtök, megjelenik a Serial Monitorban a Received from RS232 előtaggal.

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

Gyakori problémák:

A D1 LED nem világít. Az ok a modul tápellátásának hiánya. Ellenőrizzétek a VCC és az 5V, valamint a GND és a GND közötti kötéseket, továbbá a csatlakoztatás irányát a TTL headeren, ahol a jelölések GND, TXD, RXD, VCC.

Semmi sem érkezik a Serial Monitorba vagy a terminálba. Az ok lehet a kábel vagy az adatvezetékek. Ellenőrizzétek, hogy a terminál a helyes COM portot használja, 9600 baud sebességgel és 8N1 formátumban. Ha a külső készülék DB9 anyacsatlakozóval rendelkezik, használjatok null-modem kábelt. Ha a kötések helyesek, és továbbra sem jönnek adatok, cseréljétek fel a D10 és D11 lábakra menő vezetékeket, mert az RXD és TXD jelölések kártyaváltozatonként eltérhetnek.

A terminálban furcsa karakterek jelennek meg. Az ok a két oldal eltérő sebessége, vagy a közös föld hiánya. Állítsátok be mindenhol ugyanazt a sebességet és formátumot, és ellenőrizzétek a GND kötést.

Az adatok elvesznek vagy sérülnek nagy sebességeknél. Az ok a SoftwareSerial könyvtár, amely nagy sebességeken nem megbízható Arduino Uno-n. Használjatok 9600 baudot, legfeljebb 19200 baudot, vagy hardveres soros portot.

A 3.3 V-os kártya instabilan működik vagy melegszik. Az ok a modul 5 V-ról történő táplálása, ami 5 V-os logikai szinteket ad. Táplálják a modult 3.3 V-ról.

Korlátok és tanácsok:

A modul csak a TX, RX és a föld jeleket alakítja át. Nincsenek adatfolyam-vezérlő vonalak (RTS, CTS), ezért nem alkalmas olyan készülékekhez, amelyek ezeket igénylik. Az MAX3232 áramkör maximális sebessége 250 kbit/s, a TTL rész pedig 3.3 V és 5 V közötti tápfeszültséget fogad el.

Hosszabb vezetékekhez használjatok árnyékolt kábeleket, és tartsátok meg a közös földelést. Ezzel a modullal készíthettek adatnaplózót egy soros portos készülékhez, hidat egy ipari berendezés és egy mikrokontrolleres kártya között, vagy soros konzolt egy routerhez.