Введение
LPT и COM порты уже большая редкость на современных стационарных компьютерах, а про ноутбуки то и говорить нечего. USB медленно, но верно вытеснила их, усложнив жизнь разработчикам и упростив пользователям. Эх, как приятно было когда-то подключить микроконтроллер к COM порту компьютера, используя всего лишь max232 и не заботясь о драйверах. Еще чуть-чуть и это будет возможно только на промышленных компах.
Следуя общей тенденции, производители микросхем стали выпускать доступные микросхемы для работы с USB. Такие как USB-UART преобразователи или микроконтроллеры с поддержкой этой шины. К сожалению последние, несмотря на наличие библиотек, все еще сложны в освоении, поэтому неискушенному инженеру проще использовать первый вариант. И в этой статье мы рассмотрим две подобные микросхемы — FT232 и CP2103 и схемы преобразователей на их основе.
USB-UART преобразователь на FT232RL
Микросхема FT232RL фирмы FTDI пользуется заслуженной популярностью в инженерных кругах. Она предоставляет пользователю возможность создания полноценного COM порта, имеет функцию управления отдельными выводами, драйвера, простую схему включения с минимальным количеством дополнительных элементов и приемлемый для пайки корпус. Также дополнительным плюсом этой микросхемы, является возможность программирования ее EEPROM памяти, в которой можно изменить некоторые параметры USB устройств. Из недостатков можно отметить ее высокую цену
120-150 рублей, которая вполне сравнима с ценой на микроконтроллер atmega.
Я сделал на FT232RL свой вариант USB-UART преобразователя. Все пользовательские выводы развел на PLS`ку по краям платы. Расстояние между PLS выбрал таким, чтобы можно было втыкать переходник в макетную плату. Выводы RXD и TXD, предназначенные для подключения UART`a микроконтроллера, развел на отдельную PLS для удобства подключения. Также на плату помесил 2 светодиода, для индикации процесса передачи/приема информации микросхемой FT232RL, и перемычки для выбора напряжения питания выводов. Оно может быть пяти или трех вольтовым. USB разъем взял в мини исполнении, USB-B слишком громоздкий. Плату развел в одном слое, с тремя перемычками.
Схема USB-UART переходника на FT232RL
Внешний вид полученного девайса
Если ты соберешь этот USB-UART переходник, то не спеши сразу втыкать его в USB порт. Перед работой нужно убедиться в отсутствии замыканий между плюсом питания, землей и выводами D+, D-. Возьми тестер и прозвони их. Если замыканий нет, визуально проверь другие вывода и только после этого можешь подключать переходник.
При первом включении операционка попросит установить драйвера. Их можно скачать с официального сайта производителя — драйвер для FT232. Установка драйверов не представляет никакой сложности, поэтому говорить об этом не будем.
Когда драйвер установится, в системе появится дополнительный COM порт. Это так называемый виртуальный COM порт, но его можно использовать точно так же как и обычный. Чтобы увидеть его порядковый номер, нужно залезть в диспетчер устройств, если у тебя винда. Заходишь в панель управления, выбираешь система > диспетчер устройств. В разделе «Порты (COM и LPT)» должен находиться наш переходник — «USB Serial Port (COM10)». У тебя может быть какой-нибудь другой номер порта.
Чтобы убедиться в работоспособности переходника нужно открыть любую терминальную программу, выбрать соответствующий COM порт, замкнуть джампером выводы RXD и TXD и отправить через терминал любую последовательность символов. Если переходник функционирует, терминал примет ответ в виде эха, а на плате кратковременно вспыхнут светодиоды.
Для подключения переходника к микроконтроллеру, нужно вывод RXD микроконтроллера соединить с выводом TXD переходника, а вывод TXD микроконтроллера с выводом RXD переходника. Также нужно соединить их земли.
USB UART переходник на CP2103
Микросхема CP2103 фирмы Silicon Labs — это по сути аналог FT232. Имеет простую схему включения с минимальным количеством внешних компонентов, позволяет организовать полноценный COM порт со всеми его сигналами, имеет дополнительные пользовательские выводы и программу для их конфигурации, драйвера, маленькие габариты и более демократичную цену. Из недостатков стоит отметить мелкий и неудобный для запайки в домашних условиях корпус. Пожалуй, это главная причина непопулярности этой микросхемы в среде самодельщиков.
Ради интереса я сделал USB UART преобразователь и на ее базе. Все пользовательские выводы развел на PLS`ки по краям платы. RXD и TXD вывел на отдельный разъем. Джампер для выбора напряжения питания выводов здесь не понадобился, так как это напряжение не может быть большее 3.6 В. USB разъем выбрал в мини исполнении, плату развел в одном слое с четырьмя перемычками на обратной стороне. Светодиоды для индикации передачи/приема данных не сделал, потому что микросхема CP2103 не имеет выделенных для этих целей выводов. Можно задействовать любые пользовательские выводы, но их нужно конфигурировать с помощью специального софта. Когда я это узнал, переходник уже был готов и переделывать его было лень, особенно после мучений с запайкой. Единственное, что я добавил из индикации — это светодиод по питанию.
Схема USB-UART преобразователя на CP2103
Внешний вид полученного девайса
Я немного помучился с изготовлением этого переходника. Во первых между ножками CP2103 очень маленький зазор, нужно аккуратно делать плату. Во вторых ее сложно припаять. Если бы у меня не было фена, я бы за это вообще не взялся.
Запаивал я ее следующим образом. Залудил плату сплавом Розе. Он плавится при 100 градусах, что позволяет избегать перегрева платы и микросхемы . Обильно смочил посадочное место микросхемы флюсом и положил ее туда. Используя увеличительное стекло и пинцет, кое-как сориентировал ее по посадочному месту. Далее стал нагревать микросхему феном с температурой
150-200 градусов. Когда припой расплавился, микросхема стала шевелиться и за счет сил поверхностного натяжения заняла точное положение на посадочном месте. Получилось очень ровно, но переходник не заработал. Я повторно нагрел микросхему и слегка придавил и пошевелил пинцетом. После этого микросхема сконтактировала с дорожками платы.
После сборки переходника нужно убедиться в отсутствии замыканий между плюсом питания, землей и выводами D+, D-, а затем между остальными выводами. Поскольку микросхема очень маленькая, между выводами легко может сесть сопля. После проверки выводов, USB UART переходник можно подключать к компьютеру.
Как и с предыдущем переходником, при первом включении система предложит установить драйвера. Скачивай их с официального сайта производителя — драйвер для CP2103.
Установленный переходник определяется в диспетчере устройств в разделе «Порты» как «Silicon Labs CP210X USB to UART Bridge (COM6)». У тебя может быть другой номер порта.
Работоспособность проверяется аналогично, повторяться не буду.
Альтернативные варианты USB-UART адаптеров
Альтернативные варианты адаптеров можно сделать на микросхемах FT230XS и CP2102. Это урезанные и соответственно более дешевые аналоги FT232 и CP2103. Обе микросхемы имеет меньшее число пользовательских выводов и не совпадают по распиновке.
Usb uart ttl адаптер ftdi ft232 распиновка
USB — RS-232 преобразователи
Автор: Aheir, DeNew
Опубликовано 12.11.2007
Продолжаем разговор про шину USB и ее применение в радиолюбительской практике.
В прошлый раз (USB 1.1 хаб. Light — версия) мы довольно успешно снабдили ПК десятком дополнительных USB-портов, теперь пришло время начинать использовать все это изобилие.
Естественно, первое, что приходит в голову, применить эти порты для обмена данными с собственными конструкциями на МК. Однако далеко не все МК сейчас имеют периферию для работы непосредственно с USB, а программная реализация этого протокола достаточно сложна и отнимает немало процессорного времени. С другой стороны, подавляющее большинство МК имеет «на борту» модуль универсального асинхронного приемопередатчика, который может работать в режиме, совместимом с протоколом RS-232, т.е. такой микроконтроллер при условии согласования уровней сигналов можно подключать непосредственно к COM-порту компьютера. А при чем здесь USB, спросите вы? Отвечу: производители, как всегда, подсуетились, в результате чего на рынке появилось несколько вариантов преобразователей интерфейсов USB RS-232. Т.е. в нашем распоряжении есть устройство, подключаемое к ПК по USB, а на выходе имеющее сигналы, понятные любому МК с модулем USART (или даже с программно реализованным USART»ом). Здорово? Конечно, здорово, особенно с учетом того, что ОС воспринимает такой переходник просто как еще один (виртуальный) СОМ-порт (VCP: Virtual Com Port) и позволяет работать с ним с помощью обычных терминальных средств.
Вот о микросхемах, позволяющих все это реализовывать, у нас и пойдет сегодня речь…
Пожалуй, наиболее распространенными на сегодняшний день являются преобразователи FT232BM от FTDI Ltd (USB 1.1) (ничего от Maxim не напоминает по названию? ;) ), TUSB3410 от Texas Instruments (USB 2.0), а так же PL-2303 от Prolific. Что за звери такие? Будем разбираться…
FT232BM выпускается в 32 выводном корпусе LQFP-32 с шагом выводов 0.8мм.
Микросхема имеет интерфейс для подключения внешней EEPROM памяти (выводы 1,2 и 32), в которой могут храниться уникальные идентификационные коды производителя и типа устройства, а также текстовые строки, содержащие информацию о наименовании, производителе устройства и т.п. Микросхема может питаться либо от шины USB, либо от внешнего стабилизированного источника питания с напряжением 5В. В качестве генератора тактовой частоты используется кварц на 6MHz, подключаемый к выводам 27 и 28.
Микросхема имеет встроенный LDO-стабилизатор с выходным напряжением 3.3В, который служит для питания внутренней логики, но может использоваться и для питания каких-либо внешних устройств (вывод 6: 3V3OUT), правда, максимальный ток – всего 5мА. Уровень логической единицы на выходах модуля UART микросхемы (выводы 16-25) задается напряжением на входе VCCIO (вывод 13) и может изменяться в пределах от 3 до 5В (это нужно для обеспечения совместимости с 3-х вольтовой логикой).
Режим питания микросхемы определяется логическим уровнем на входе PWRCTL: лог.0 – питание от шины USB (Bus-Powered), лог.1 – питание от стороннего источника (Self-Powered). Инверсный вход RESET надо через резистор (а можно даже и без него) подтянуть к плюсу питания микросхемы – этого достаточно для нормальной работы. Выход RSROUT может использоваться для сброса внешних устройств в момент сброса FT232. Кроме того, к этому выводу подключается подтягивающий резистор для линии USB Data+. Сами линии Data+ и Data- — это выводы USBDP и USBDM соответственно.
Замечу, что вход TEST должен быть соединен с землей, в противном случае работа микросхемы нестабильна.
Выходы SLEEP и PWREN могут использоваться для управления внешними устройствами, в частности, SLEEP = 0, если микросхема не активна («спит»), а PWREN = 0 после окончания инициализации микросхемы при подключении и = 1, если микросхема не активна.
На выводах 16-25, как уже отмечалось, присутствуют все сигналы, предусмотренные стандартом RS-232. При подключении к ним соответствующих микросхем-преобразователей уровня возможна конвертация исходных данных, поступающих по USB, в поток байт протоколов RS-232, RS-422 или RS-485.
Прием и передача данных по USB могут отображаться светодиодами, подключенными к выходам RXLED и TXLED соответственно.
Схема, которую я обычно использую, приведена на рисунке:
Как видите, навесных элементов очень немного. Для подключения к МК достаточно использовать сигналы RX и TX, в ряде случаев может понадобиться организовать гальваническую развязку этой схемы с остальным устройством. С учетом того, что преобразователь питается от USB, достаточно добавить на RX и TX по оптрону, причем выход TX может напрямую управлять светодиодом одной из оптопар.
В качестве EEPROM можно использовать микросхемы памяти 93С46/56/66, достаточно и самой маленькой по объему:
С железом немножко разобрались, а что касается софта, то здесь тоже ничего сложного нет. С сайта производителя доступны для скачивания две версии драйвера: VCP Driver (только драйвер виртуального СОМ-порта) и D2XX Driver (дает ряд дополнительных возможностей, например, прямой доступ к USB – более интересен для программистов). Если планируется использование микросхемы памяти – надо ставить D2XX, кроме того, понадобится также специальная утилита для прошивки: MProg, также доступная для скачивания с сайта. В остальном – подключаете устройство к ПК, говорите ОС откуда взять драйверы, наблюдаете за установкой. В «Диспетчере устройств» в разделе «USB» должен появиться «USB Serial Converter», а в «Портах» — следующий по номеру «USB Serial Port». Все, можете с ним работать, как с обычным портом.
Я работал с этой микросхемой на скорости порта 115200, хотя драйвер позволяет выставлять максимальную скорость до 921600. В разделе «Port Settings» свойств порта есть кнопка «Advanced». Там в разделе «BM Options» параметр «Latency Timer» стоит поставить поменьше, т.е. 1мс – это увеличит скорость работы.
Если вы всерьез соберетесь использовать эту микросхему, советую ознакомиться с материалами на странице , там действительного много полезного и интересного, а многие моменты объяснены гораздо подробнее, чем в этой статье.
С TUSB3410 все будет несколько сложнее. Дело в том, что эта микросхема по своей сути – микроконтроллер с интегрированным интерфейсным модулем USB. Поэтому, как всякий микроконтроллер, ее придется еще и программировать…
Так получилось, что эта микросхема выпускается в таком же корпусе:
Функциональная оснащенность примерно та же: полный последовательный порт (выводы 13-21, только RX/TX называются SIN/SOUT), интерфейс для EEPROM (здесь это I2C), кварц, питание, Reset и четыре программируемые линии ввода/вывода общего назначения Р3.0 – Р3.4 – вот их-то у FTDI-ки точно не было… Напряжение питания микросхемы – 3.3В, что не очень удобно, поскольку при питании от USB заставляет использовать LDO-стабилизатор. Зато никаких хитрых режимов питания нет.
Ну что, как всегда, кратенько пробежимся по функциональному назначению выводов? Поехали…
С последовательным портом все вроде бы понятно, скажу лишь, что при соответствующей прошивке он может работать не только по протоколу RS-232, но и как IrDA приемопередатчик. Четыре линии ввода/вывода тоже не экзотика, производитель, в частности, предоставляет пример, где они используются для подключения нескольких кнопок, а устройство определяется ОС как HID-совместимое, что позволяет достаточно легко реализовать опрос этих самых кнопок.
DP, DM – линии Data+ и Data- USB, PUR служит для подключения подтягивающего резистора для линии Data+.
На линию VDD18 надо подать напряжение 1.8В от внешнего источника или, что проще, подать лог.0 на вывод VREGEN, включив тем самым внутренний источник на 1.8В, а на VDD18 добавить конденсатор 0.1мкФ на землю…
На RESET – обычную RC-цепочку, более чем достаточно, TEST0 и TEST1 надо подтянуть через 10кОм к питанию, а выход тактовой частоты CLKOUT мы использовать не будем.
Кварц 12МГц на ноги Х1 и Х2, выход индикатора SUSPEND – по вкусу, вход пробуждения WAKEUP можно оставить неподключенным или подтянуть через резистор к плюсу питания.
К линиям последовательного порта этой микросхемы также можно подключать непосредственно МК, опторазвязки или преобразователи уровней.
Вроде как все необходимое для минимальной конфигурации подключили, схема получилось вот такая:
Микросхема EEPROM здесь также не является обязательным элементом и лично я ее так ни разу и не использовал…
Итак, собрали мы эту схему, воткнули в комп, ОС нашла некое устройство и попросила ткнуть ее носом в драйвера для него. Вот тут-то самое интересное и начинается.
Как я уже говорил, TUSB3410 на самом деле микроконтроллер, внутри у него 8052-совместимое ядро. Соответственно, функционал нашего устройства определяется залитой прошивкой. Нам требуется пока что – преобразователь интерфейсов.
В принципе, при условии регистрации и предоставлении информации о вашем проекте производитель предоставляет и исходники, и прошивку для применения микросхемы в качестве преобразователя интерфейсов, но можно пойти и по другому пути. Эта микросхема используется в таком качестве в некоторых интерфейсных шнурках для мобильных телефонов, в GSM-модемах, в некоторых других устройствах. А драйвера для них доступны для свободной закачки. Более того, все эти драйвера содержат необходимую прошивку. Это связано с особенностями работы микросхемы.
Дело в том, что при установке драйвера прошивка для микроконтроллера копируется в /System32/drivers. Далее, при включении устройства TUSB проверяет наличие EEPROM и прошивки в ней. Если все в порядке – грузится с нее, если нет – подгружает прошивку с компа и записывает в EEPROM, если она есть. Или не записывает и просто работает. Если EEPROMа нет, при следующем включении процесс повторяется.
В общем, в результате анализа нескольких комплектов драйверов к готовым устройствам методом проб и ошибок, последовательных приближений и высоконаучного тыка был сгенерирован собственный работоспособный комплект. Во всех файлах драйверов и даже внутри прошивок стоят копирайты Texas Instruments, поэтому скажу, что все предпринятые над драйверами действия цели имели исключительно образовательные и некоммерческие, а здесь результат публикуется сугубо для ознакомления.
После подключения к ПК ОС найдет новое устройство «TUSB3410 Device» и потребует установку драйвера, надо указать на файл umpusbXP.inf. В ходе установки в системную директорию будут скопированы файлы umpusbxp.sys и umpf3410.i51 (прошивка). Далее система найдет виртуальный СОМ-порт, для него потребуется драйвер UmpComXP.inf.
В обоих *.inf-файлах помечены строки, изменив которые можно отредактировать названия определяемых системой устройств и установленные по умолчанию VID&PID, передаваемые ОС. Однако, как и в прошлый раз, я бы не стал этого делать без полного понимания того, к чему это может привести.
Для чего TUSB3410 нужна EEPROM я уже упоминал. Добавлю, что лично я с ней не экспериментировал, однако на сайте производителя доступны для скачивания утилита для генерации бинарного файла прошивки EEPROM на основе umpf3410.i51 и конфигурационного файла (содержит серийный номер устройства, VID&PID, строковые данный по аналогии с FT232BM) и утилита для непосредственной прошивки полученного файла в микросхему.
На странице, посвященной этой микросхеме при желании можно найти подробный даташит, ряд аппноутов, документы, описывающие особенности применения, ссылки на исходные коды и утилиты для работы. Настоятельно рекомендую посмотреть.
Результатом всех этих изысканий стало создание двух модулей преобразования протокола USB в RS-232, на FT232BM и TUSB3410 соответственно, которые можно рассмотреть на фотографии:
Монтаж, как видно, поверхностный, все детали на одной стороне, с изнанки – пара перемычек. Модули рассчитаны на вертикальное впаивание в плату, поэтому на них нет разъемов, а установлены PLS штырьки, которые, собственно, в плату и впаиваются. На дальней от нас стороне платы сделаны контактные площадки RX/TX (на модуле FT232BM их загораживает конденсатор), остальные сигналы последовательного интерфейса не выведены за ненадобностью: эти модули используются для сопряжения исключительно с МК.
Немножко возвращаясь к FT232BM. Ниже вы можете увидеть фото (а в конце статьи — скачать варианты разводки плат) для двух конструкций на FT232BM с полным RS-232 портом.
В первой из них
cигналы RS-232 имеют TTL-уровень и выведены на двухрядный разъем BH-10 (по аналогии с материнскими платами), причем коммутацией входа VCCIO (вывод 13) на 5В или сторонний источник 3.3В (в данном случае применен LDO-стабилизатор, но можно, например, и параметрический использовать или регулируемый на LM317) при помощи джампера можно выбирать соответствующий уровень логической «1» на выводах порта RS-232. Эта конструкция разарабатывалась для отладки устройств, имеющих напряжение питания 3.3В
Еще один вариант модуля с полным RS-232 портом содержит в своем составе микросхему MAX213 — преобразователь уровней — и, таким образом, по уровню напряжений обеспечивает совместимость с последовательными портами ПК.
Схема модуля представлена на рисунке:
А готовое устройство выглядит так:
Теперь о PL-2303: микросхема выпускается в 28-выводном SSOP корпусе с шагом выводов 0.65мм:
Микросхема во многом похожа на FT232, но есть и некоторые черты TUSB3410. Для работы требуется кварцевый резонатор на 12 МГц (выводы 27-28), уровень логической единицы последовательного порта определяется напряжением на входе VDD_232 (4), выводы 1-3, 5, 6 и 9-11 — полный последовательный порт. По аналогии с TUSB3410 микросхема имеет пару выводов (13-14) для подключения EEPROM через I2C (память также служит для хранения идентификаторов устройства). Вход 23 определяет режим токовой нагрузки USB-порта («1» — 500мА, «0» — 100мА), вход TRI-STATE определяет состояние выходов последовательного порта при инициализации микросхемы: «1» — высокий уровень, «0» — высокоимпедансное состояние. Отдельные входы питания для логики (8, 20) и PLL (24) в общем случае могут быть присоединены к шине питания USB, однако желательно в непосредственной близости от них установить керамические конденсаторы на землю. PL-2303 имеет встроенные источник напряжения 3.3В для питания USB-трансивера (вывод 17), который используется также для установки подтягивающего резистора к линии Data+. Как обычно, за более полным, точным и правильным описанием стоит обратиться на сайт производителя. Схема модуля, разработанного на основе этой микросхемы, представлена на рисунке:
Фотографии готового устройства:
Как видно, этот модуль также содержит в своем сотаве микросхему MAX213 (SP213), поэтому обеспечивает поддержку полнофункционального порта RS-232, совместимого по уровням с портами ПК.
Для полноценой работы этого устройства под управлением ОС семейства Windows понадобятся драйверы, доступные для скачивания на сайте производителя. Поскольку на этих чипах делается достаточно много интерфейсных шнурков для подключения мобильных телефонов к ПК, вполне вероятно, что подойдут драйвера и от них.