Circuito integrato CH340G, convertitore USB-UART, SOP-16, 3.3V o 5V, fino a 2 Mbps

Il circuito integrato CH340G è un convertitore da USB a UART che si usa quando vuoi collegare un microcontrollore o un modulo con interfaccia seriale a una porta USB del computer. In questo tutorial lo usiamo come adattatore USB-TTL per una scheda Arduino Uno, quindi la piattaforma è Arduino Uno. La scheda invia messaggi tramite i pin 10 e 11 di una porta seriale software, e tu li leggi sul computer tramite una seconda porta seriale, creata dal CH340G.

Il montaggio minimo dell'integrato comprende un cristallo da 12 MHz, due condensatori da 33 pF, due condensatori da 0.1 uF e un connettore USB. Dopo averli sistemati su un adattatore SOP-16 a DIP oppure su un circuito proprio, l'integrato si comporta come un qualsiasi adattatore USB-TTL.

Come funziona:

Il computer parla USB, mentre il microcontrollore parla UART TTL, cioè due fili (TXD e RXD) che si trovano a livello logico alto in stato di riposo. Il CH340G riceve i pacchetti USB sulle linee D+ e D-, li trasforma in byte seriali e li invia su TXD. Nel senso inverso, trasforma i byte ricevuti su RXD in pacchetti USB. Sul computer appare una porta seriale virtuale.

Il clock di lavoro è di 12 MHz e proviene da un cristallo esterno collegato tra i pin XI e XO, ciascuno con un condensatore da 33 pF verso massa. Da questo clock si genera la velocità seriale. Se l'oscillatore non parte, la porta seriale non appare sul computer.

Un byte trasmesso nel formato 8N1 ha 10 bit: un bit di start, 8 bit di dati e un bit di stop. A 9600 baud la durata di un bit è 1 / 9600 = 104.2 us, quindi un byte dura 10 x 104.2 us = 1.04 ms e si possono trasferire circa 960 byte al secondo. A 115200 baud un bit dura 8.68 us, e la velocità arriva a circa 11520 byte al secondo.

I livelli logici dipendono dall'alimentazione. A 5 V l'integrato accetta il livello alto a partire da 2.3 V in su, e l'uscita arriva almeno a VCC - 0.6 V a 2 mA, il che è compatibile con Arduino Uno. A 3.3 V accetta il livello alto a partire da 1.9 V in su, e le uscite si fermano a 3.3 V, adatte per ESP32 o STM32.

Collegamento:

Alimentate l'integrato a 5 V dalla linea VBUS del connettore USB, ad esempio tramite un modulo micro USB con pin. A 5 V le uscite sono da 5 V, compatibili con Arduino Uno, quindi non avete bisogno di un convertitore di livello né di resistenze di pull-up. La massa di Arduino va obbligatoriamente collegata alla massa dell'integrato. I pin MODEM e il pin R232 restano non collegati.

La scheda Arduino Uno resta collegata al computer tramite il proprio cavo USB, per la programmazione e per i messaggi di debug. Il CH340G si collega a una seconda porta USB, e sul computer appariranno due porte seriali diverse.

Scheda e librerie:

In Arduino IDE selezionate da Tools > Board la scheda Arduino Uno, dal pacchetto Arduino AVR Boards, che viene installato insieme all'Arduino IDE. Il programma usa solo la libreria SoftwareSerial, inclusa nell'Arduino IDE, quindi non è necessario installare alcuna libreria dal Library Manager. Sul computer installate il driver VCP per CH340 se il sistema operativo non lo trova da solo.

Codice:

Il programma invia ogni 2 secondi un messaggio numerato tramite il CH340G, legge le righe di testo arrivate dal computer e le rimanda indietro con un prefisso.

/*
  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
    }
  }
}

Come funziona il codice:

All'inizio si include SoftwareSerial e si definiscono i pin PIN_BRIDGE_RX (10) e PIN_BRIDGE_TX (11), poi si crea l'oggetto bridge, che realizza una porta seriale software verso il CH340G. Le variabili lastSend, messageCount e rxLine memorizzano il momento dell'ultimo messaggio, il numero del messaggio e la riga di testo ricevuta.

In setup() si avvia la porta Serial a 9600 baud per il collegamento normale della scheda con il computer e la porta bridge a 9600 baud per il CH340G, poi si invia un messaggio di avvio con bridge.println().

In loop() si verifica prima con millis() se sono trascorsi SEND_INTERVAL_MS millisecondi. In caso affermativo, messageCount aumenta e il messaggio viene inviato tramite bridge e segnalato sulla porta Serial. Poi, finché bridge.available() segnala byte ricevuti, ogni carattere viene letto con bridge.read() e aggiunto a rxLine. Alla ricezione di un carattere di nuova riga, il testo viene rimandato indietro con il prefisso Received, la riga viene visualizzata su Serial e rxLine viene svuotata. La lunghezza della riga è limitata a 64 caratteri, per non riempire la memoria della scheda.

Risultato:

Aprite il Serial Monitor dell'Arduino IDE sulla porta della scheda Arduino Uno a 9600 baud. Su una seconda porta, quella creata dal CH340G, aprite un programma terminale come PuTTY o Tera Term, sempre a 9600 baud. Nel terminale appare ogni 2 secondi un messaggio numerato. Se inviate dal terminale una riga di testo, terminata con Invio, ricevete indietro la stessa riga con il prefisso Received, e nel Serial Monitor della scheda appare il testo ricevuto tramite il 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

Problemi frequenti:

La porta seriale non appare sul computer. La causa tipica è l'oscillatore che non parte oppure un collegamento sbagliato. Verificate il cristallo da 12 MHz tra i pin 7 e 8, i due condensatori da 33 pF verso massa e l'alimentazione sul pin 16. Verificate anche che il pin 4 abbia il condensatore da 0.1 uF verso massa.

Windows segnala un dispositivo USB non riconosciuto. Una possibile causa sono le linee D+ e D- invertite oppure resistenze montate in serie su di esse. Collegate i pin 5 e 6 direttamente a D+ e D-, nell'ordine corretto, senza resistenze.

Compaiono caratteri anomali. La velocità del programma è diversa da quella del terminale, oppure il cristallo non ha la frequenza corretta. Impostate la stessa velocità, 9600 baud, nel programma e nel terminale e usate un cristallo da 12 MHz con i condensatori consigliati.

Non si riceve nulla in nessun senso. Il caso più frequente è che TXD e RXD siano collegati direttamente allo stesso tipo di pin, oppure manchi la massa comune. TXD dell'integrato deve andare a RX della scheda, e RXD a TX, e la massa di Arduino va collegata alla massa dell'integrato.

Non funziona a 3.3 V. In questa modalità il pin V3 deve essere collegato al pin VCC e alimentato a 3.3 V. Se resta con il condensatore verso massa, come a 5 V, l'integrato non ha l'alimentazione interna corretta.

L'integrato si scalda o si guasta. L'alimentazione supera il dominio consentito oppure la polarità è invertita. A 5 V la tensione deve restare tra 4.0 e 5.3 V, mentre la tensione massima assoluta su VCC è di 6 V.

Limitazioni e consigli:

Il CH340G ha bisogno di un cristallo esterno da 12 MHz, a differenza delle varianti che hanno un clock interno. La velocità seriale arriva a 2 Mbps, ma per velocità elevate, oltre 1 Mbps in un senso, è consigliato un circuito con controllo hardware del flusso. Su Arduino Uno la libreria SoftwareSerial è affidabile solo a velocità basse, mentre per velocità elevate si usa la porta seriale hardware.

Con alimentazione a 3.3 V tutti i circuiti collegati devono lavorare al massimo a 3.3 V. Per interfacce RS232, RS485 o RS422 si aggiunge un circuito di conversione di livello, ad esempio MAX3232 per RS232. Con lo stesso montaggio potete costruire un adattatore USB-TTL proprio per programmare altre schede oppure un cavo da USB a RS232.