Integrat CH340G, convertor USB la UART, SOP-16, 3.3V sau 5V, pana la 2 Mbps

Integratul CH340G este un convertor USB la UART pe care il folosesti cand vrei sa legi un microcontroler sau un modul cu interfata seriala la un port USB al calculatorului. In acest tutorial il folosim ca adaptor USB-TTL pentru o placa Arduino Uno, deci platforma este Arduino Uno. Placa trimite mesaje prin pinii 10 si 11 ai unui port serial software, iar tu le citesti pe calculator printr-un al doilea port serial, creat de CH340G.

Montajul minim al integratului contine un cristal de 12 MHz, doi condensatori de 33 pF, doi condensatori de 0.1 uF si un conector USB. Dupa ce le ai pe un adaptor SOP-16 la DIP sau pe un circuit propriu, integratul se comporta ca orice adaptor USB-TTL.

Cum functioneaza:

Calculatorul vorbeste USB, iar microcontrolerul vorbeste UART TTL, adica doua fire (TXD si RXD) care stau la nivel logic ridicat in repaus. CH340G primeste pachetele USB pe liniile D+ si D-, le transforma in octeti seriali si ii trimite pe TXD. In sens invers, transforma octetii primiti pe RXD in pachete USB. Pe calculator apare un port serial virtual.

Ceasul de lucru este de 12 MHz si vine de la un cristal extern conectat intre pinii XI si XO, fiecare cu cate un condensator de 33 pF la masa. Din acest ceas se genereaza viteza seriala. Daca oscilatorul nu porneste, portul serial nu apare pe calculator.

Un octet transmis in format 8N1 are 10 biti: un bit de start, 8 biti de date si un bit de stop. La 9600 baud durata unui bit este 1 / 9600 = 104.2 us, deci un octet dureaza 10 x 104.2 us = 1.04 ms si se pot transfera circa 960 octeti pe secunda. La 115200 baud un bit dureaza 8.68 us, iar debitul ajunge la circa 11520 octeti pe secunda.

Nivelurile logice depind de alimentare. La 5 V integratul accepta nivel ridicat de la 2.3 V in sus, iar iesirea ajunge la cel putin VCC - 0.6 V la 2 mA, ceea ce se potriveste cu Arduino Uno. La 3.3 V accepta nivel ridicat de la 1.9 V in sus, iar iesirile se opresc la 3.3 V, potrivite pentru ESP32 sau STM32.

Conectare:

Alimentati integratul la 5 V de la linia VBUS a conectorului USB, de exemplu printr-un modul micro USB cu pini. La 5 V iesirile sunt de 5 V, compatibile cu Arduino Uno, deci nu aveti nevoie de convertor de nivel si nici de rezistente pull-up. Masa Arduino se leaga obligatoriu la masa integratului. Pinii MODEM si pinul R232 raman neconectati.

Arduino Uno ramane conectat la calculator cu propriul cablu USB, pentru programare si pentru mesajele de depanare. CH340G se leaga la un al doilea port USB, iar pe calculator vor aparea doua porturi seriale diferite.

Placa si biblioteci:

In Arduino IDE selectati la Tools > Board placa Arduino Uno, din pachetul Arduino AVR Boards, care vine instalat odata cu Arduino IDE. Programul foloseste doar biblioteca SoftwareSerial, inclusa in Arduino IDE, deci nu trebuie instalata nicio biblioteca din Library Manager. Pe calculator instalati driverul VCP pentru CH340 daca sistemul de operare nu il gaseste singur.

Codul:

Programul trimite la fiecare 2 secunde un mesaj numerotat prin CH340G, citeste liniile de text venite de la calculator si le trimite inapoi cu un prefix.

/*
  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
    }
  }
}

Cum functioneaza codul:

La inceput se include SoftwareSerial si se definesc pinii PIN_BRIDGE_RX (10) si PIN_BRIDGE_TX (11), apoi se creeaza obiectul bridge, care realizeaza un port serial software spre CH340G. Variabilele lastSend, messageCount si rxLine tin minte momentul ultimului mesaj, numarul mesajului si linia de text primita.

In setup() se porneste portul Serial la 9600 baud pentru legatura obisnuita a placii cu calculatorul si portul bridge la 9600 baud pentru CH340G, apoi se trimite un mesaj de pornire cu bridge.println().

In loop() se verifica mai intai cu millis() daca au trecut SEND_INTERVAL_MS milisecunde. Daca da, messageCount creste, iar mesajul este trimis prin bridge si anuntat pe portul Serial. Apoi, cat timp bridge.available() raporteaza octeti primiti, fiecare caracter se citeste cu bridge.read() si se adauga in rxLine. La primirea unui caracter de linie noua se trimite inapoi textul cu prefixul Received, linia se afiseaza pe Serial si rxLine se goleste. Lungimea liniei este limitata la 64 de caractere, ca sa nu se umple memoria placii.

Rezultat:

Deschideti Serial Monitor al Arduino IDE pe portul placii Arduino Uno la 9600 baud. Pe un al doilea port, cel creat de CH340G, deschideti un program terminal precum PuTTY sau Tera Term, tot la 9600 baud. In terminal apare la fiecare 2 secunde un mesaj numerotat. Daca trimiteti din terminal o linie de text, terminata cu Enter, primiti inapoi aceeasi linie cu prefixul Received, iar in Serial Monitor al placii apare textul primit prin CH340G.

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

Probleme frecvente:

Portul serial nu apare pe calculator. Cauza obisnuita este oscilatorul care nu porneste sau o conexiune gresita. Verificati cristalul de 12 MHz intre pinii 7 si 8, cei doi condensatori de 33 pF la masa si alimentarea pe pinul 16. Verificati si ca pinul 4 are condensator de 0.1 uF la masa.

Windows raporteaza dispozitiv USB nerecunoscut. Cauza posibila sunt liniile D+ si D- inversate sau rezistente montate in serie pe ele. Conectati pinii 5 si 6 direct la D+ si D-, in ordinea corecta, fara rezistente.

Apar caractere aberante. Viteza programului difera de cea a terminalului, sau cristalul nu are frecventa corecta. Setati aceeasi viteza, 9600 baud, in program si in terminal si folositi un cristal de 12 MHz cu condensatorii recomandati.

Nu se primeste nimic in niciun sens. Cel mai des TXD si RXD sunt legate direct la acelasi tip de pin, sau lipseste masa comuna. TXD al integratului trebuie sa mearga la RX al placii, iar RXD la TX, iar masa Arduino se leaga la masa integratului.

Nu merge la 3.3 V. In acest mod pinul V3 trebuie legat la pinul VCC si alimentat de la 3.3 V. Daca ramane cu condensator la masa, ca la 5 V, integratul nu are alimentarea interna corecta.

Integratul se incalzeste sau se defecteaza. Alimentarea depaseste domeniul permis sau polaritatea este inversata. La 5 V tensiunea trebuie sa ramana intre 4.0 si 5.3 V, iar tensiunea maxima absoluta pe VCC este de 6 V.

Limitari si sfaturi:

CH340G are nevoie de cristal extern de 12 MHz, spre deosebire de variantele care au ceas intern. Viteza serial ajunge la 2 Mbps, dar pentru debite mari, peste 1 Mbps intr-un sens, este recomandat un circuit cu control hardware al fluxului. Pe Arduino Uno biblioteca SoftwareSerial este sigura doar la viteze mici, iar pentru viteze mari se foloseste portul serial hardware.

La alimentare de 3.3 V toate circuitele conectate trebuie sa lucreze la maximum 3.3 V. Pentru interfete RS232, RS485 sau RS422 se adauga un circuit de conversie de nivel, de exemplu MAX3232 pentru RS232. Cu acelasi montaj puteti construi un adaptor USB-TTL propriu pentru programarea altor placi sau un cablu USB la RS232.