1. Що таке TTL і при чому тут USB?

Якось на "Алі" привернув мою увагу дуже недорогий конвертер USB-UART. Спочатку я був не цілком впевнений, що це за штука насправді. Назва товару англійською виглядало так: "USB to TTL converter UART module CH340G CH340 3.3V 5V switch". Згадка UART і мікросхеми CH340G, начебто, розсіювало сумніву, але не подобалася фраза "USB to TTL", яка була видна також і на фотографії модуля, на його нижньому боці. Справа в тому, що ця фраза не має сенсу, а значить, відкриває широкий простір для вільного тлумачення.

За ідеєю в перекладі на російську мову фраза " USB to TTL"Повинна означати" перетворення USB в TTL ". Пояснювати, що таке USB, зараз нікому не треба, а от про TTL чули не всі. Тому давайте звернемося до історії, і подивимося, що таке TTL.

Цікаво, що і Гугл і Яндекс на запит "Що таке TTL" видали посилання про TTL із зовсім іншої області. Так що ж це таке, стосовно електроніці? Абревіатура TTL російською мовою не відрізняється від англомовного варіанту і розшифровується, як транзисторних-транзисторна логіка (ТТЛ). Спочатку це поняття мало на увазі особливості внутрішньої будови деяких цифрових мікросхем, сукупність технічних рішень, включаючи схемотехнічні та технологічні. Крім усього іншого, стандарт ТТЛ ставив і спосіб кодування логічних сигналів. Так, наприклад, логічний нуль кодувався напругою, близьким загального проведення харчування. Причому загальний провід підключався до мінуса джерела живлення і приймався за нульовий потенціал - "земля". А логічна одиниця кодувалася напругою, близьким напрузі живлення +5. Саме напруга живлення +5 теж стало невід'ємною частиною стандарту ТТЛ.

Треба відзначити, що мікросхеми ТТЛ свого часу отримали дуже широке поширення. У Радянському Союзі, мабуть, найбільш відомою була серія К155. Широке застосування цих та їм подібних мікросхем змусило розробників апаратури з метою сумісності дотримуватися тих же способів кодування сигналів логічного нуля і логічної одиниці, які передбачалися стандартом ТТЛ.

Але нічого не стоїть на місці. Мікросхеми ТТЛ, побудовані на біполярних транзисторах, незабаром стали застарівати. Вони сильно програвали більш сучасним мікросхем як по швидкодії, так і за споживанням енергії. Їм на заміну стали приходити інші сімейства мікросхем, засновані на МДП-структурах (метал-діелектрик-напівпровідник), а по-простому - на польових транзисторах. Але стандарт кодування сигналів застарівати не збирався, тому багато нові мікросхеми, навіть не маючи прямого відношення до ТТЛ, зберігали сумісність з ТТЛ. Самі ж мікросхеми ТТЛ поступово стали частиною історії (хоча в аматорських конструкціях застосовуються донині), а їх загальна назва - абревіатура ТТЛ - знайшло дещо інший сенс. тепер ТТЛ  слід тлумачити як "стандарт рівнів напруги для кодування логічних нуля і одиниці, що застосовувався в мікросхемах ТТЛ".

І що ж, з урахуванням вищесказаного, можуть означати слова "USB to TTL"? Думаю, тепер зрозуміло, чому ця фраза не має сенсу.

2. Конвертор інтерфейсу на мікросхемі CH340G

Цей виріб я в підсумку замовив. Обійшлося воно мені з пересилкою в 44,30 руб., Тобто майже даром. Але це не той випадок, коли дешево - значить погано. При підключенні він відразу визначився в системі (Windows 8.1). Ніяких проблем з драйверами не виникло. Раніше я вже підключав інший конвертер на CH340 (той у вигляді шнура-перехідника USB-COM), тому драйвер вже стояв. Треба сказати, що і минулого разу не було потреби шукати драйвер і ставити його вручну - все вийшло в автоматичному режимі. Тепер же раніше встановлений драйвер відразу визнав новий пристрій.

Як і слід було очікувати, це виявився конвертер USB-UART, на кшталт тих, що я купував раніше. З корисних сигналів на роз'єм модуля тут теж виведені тільки TXD і RXD. Мене, звичайно, це не влаштовувало. Знаючи, що мікросхема CH340G  забезпечує формування повного * набору сигналів RS232, Я купував цей модуль з розрахунком на його подальше вдосконалення. До речі, така низька ціна - це багато в чому наслідок "неповноцінності" даного модуля. З одними лише сигналами TXD і RXD його можливості сильно обмежені. А ось з повним набором сигналів RS232 можливості модуля і область його застосування стають воістину невичерпними (зовсім не обов'язково використовувати входи-виходи RS232 строго за їх призначенням). Такий порт можна навіть розглядати, як малоразрядний паралельний порт з довільною установкою сигналів на три виходи і довільним опитуванням стану чотирьох входів. На цьому сайті ви вже могли бачити різні варіанти використання аналогічного модуля. Але конвертер з повним набором сигналів варто зазвичай на порядок дорожче. А навіщо переплачувати? Для тих, хто дружить з паяльником, оптимальне рішення - купити "напівфабрикат" і довести його до повноцінного стану.

* Під "повним" набором сигналів RS232 тут будемо мати на увазі сигнали COM-порту, Хоча стандарт RS232 передбачає і багато інших сигнали, які не використовуються в COM.

Додам, що модуль має три світлодіода (всі червоні), один з яких сигналізує про подачу напруги живлення від USB, а два інших відображають стан сигналів TXD і RXD (спалахуючи при логічному нулі, тобто при низькій напрузі щодо GND).

3. Доопрацювання модуля UART до повноцінного RS232TTL

В общем-то, вся доопрацювання полягала тільки в тому, щоб підпаяти до відповідних ніжок мікросхеми. Для цього попередньо потрібно прорізати вікно в термоусадочної оболонці. відповідність висновків мікросхеми CH340G  і сигналів RS232  дивіться в таблиці Таб.1.

Як видно з таблиці, всі сигнали, крім TXD і RXD знаходяться на одній стороні мікросхеми, але TXD і RXD вже виведені на роз'єм, тому паяти додаткові дроти треба було лише з одного боку.

4. Тестування конвертера на мікросхемі CH340G

Щоб переконатися в справності модуля, і в тому, що він дійсно забезпечує роботу всіх сигналів, властивих COM-порту, я провів його ретельне тестування. Всі тести пройшли, як то кажуть, без сучка без задирки, з чого я роблю висновок, що даний конвертер інтерфейсу можна рекомендувати для використання в будь-яких пристроях і конструкціях, що вимагають підключення до комп'ютера по RS232TTL. У тому числі для використання в ролі програматора мікроконтролерів, як описано в статті.

Тестування проводилося за допомогою декількох сценаріїв до програми Перпетуум М. Ви також можете протестувати свій конвертер. Скачайте (вони упаковані в один архів) і окремо. Не забудьте перевірити і при необхідності поміняти номер порту в сценаріях, інакше вони не будуть працювати. Дізнатися номер порту в вашому випадку можна через диспетчер пристроїв Windows. На початку кожного сценарію (а їх можна відкривати текстовим редактором, наприклад, блокнотом) ви побачите рядок "ІмяПорта \u003d" COM3 ";". Замість цифри 3 поставте ту цифру, яку потрібно. Наприклад, якщо при підключенні модуля в диспетчері пристроїв з'являється пристрій COM4, \u200b\u200bто і в кожному сценарії потрібно вказати "COM4" замість "COM3".

Тепер докладніше розповім про хід тестування. Спочатку я встановив перемичку між штирями роз'єму TXD  і RXD, Щоб дані передавача відразу потрапляли в приймач. Таким чином я "закільцювати" порт, щоб він міг передавати дані самому собі. Це дозволяє перевірити одночасно і передавач і приймач без підключення до іншого порту. Потім я запустив сценарій "Тест COM-порту шляхом перекачування через нього файлу" і вибрав випадково підвернувся файл розміром 653 Кб. Копіювання файлу пройшло успішно. Скопійований файл виявився абсолютно ідентичний оригіналу, що говорить про справність приймача і передавача модуля UART.

Далі я послідовно запускав сценарії "Тест виходу TXD COM-порту", "Тест виходу DTR COM-порту" і "Тест виходу RTS COM-порту", попередньо для кожного випадку підключивши вольтметр до відповідного виходу. Вводячи нулі і одиниці в діалогове вікно програми, я переконався, що вони успішно відбиваються на виходах порту. При цьому з'ясувалося, що вихід TXD відображає логічні рівні без інверсії, тобто при виведенні нуля з'являється низька напруга, при виведенні одиниці - висока, а виходи DTR і RTS працюють з інверсією. Це потрібно враховувати при використанні даного модуля в розробках.

Потім я запустив сценарій "Тест входів COM-порту", який в реальному часі відображає стан відразу чотирьох входів порту: CTS, DSR, RI, DCD. Через резистор 5,6К я став один за іншим з'єднувати кожен з входів то із загальним проводом (GND), то з лінією живлення +5. З'ясувалося наступне. Всі входи працездатні, всі вони при програмному опитуванні видають інверсне стан. Всі мають "підтяжку" до напруги харчування, тобто "висячий" вхід має рівень логічної одиниці і, відповідно, через інверсії програмно читається як "0". При з'єднанні входу через резистор 5,6К з штирьком роз'єму GND кожен вхід легко переходить в стан логічного нуля (програмно читається як "1"), а значить опір вбудованої "підтяжки" щонайменше на порядок вище, ніж 5,6К. Зауважимо, що в модулях на мікросхемі PL2303 "перебити" вбудовану "підтяжку" набагато складніше через її низькоомними.

Підіб'ємо підсумки: крім можливості послідовної передачі даних через UART, ми маємо три незалежно керованих виходу ( TXD, DTR, RTS), З яких один прямий (TXD) і два інверсних, а також чотири програмно опитуваних інверсних входу з "підтяжкою" до напруги харчування ( CTS, DSR, RI, DCD). Якщо планується залучення UART, то незалежних виходів залишиться тільки два, так як вихід TXD - це сигнал передавача UART. Входів це не стосується - їх все одно буде чотири.

Треба сказати ще про одну можливості, яка нібито дозволяє перестановкою перемички міняти рівень логічної одиниці на виходах в залежності від того, яким напругою харчуються мікросхеми, підключені до даного модулю: 5В або 3,3. Тобто вирішується питання узгодження рівнів. Пишу про цю "фішку" з деякою зневагою, бо вона реалізована якось дивно і довіри не викликає. Втім, особливої \u200b\u200bнеобхідності в ній і немає, тому що узгодити рівні між 5В і 3.3В нескладно і іншими способами. А справа тут ось в чому. Модуль має три штирі: 5V, VCC і 3,3V. Перемичкою (вона навіть входить в комплект) можна замкнути 5V і VCC, або VCC і 3,3V. А можна і зовсім її не ставити, тому що при повній відсутності перемички все працює так само, як якщо вона встановлена \u200b\u200bміж VCC і 3,3V. Напруга на штирьком 5V відповідає напрузі дроти +5 порту USB. На штирьком VCC при відсутності перемички є напруга близько 3,8В, а на штирьком 3,3V - приблизно 3,2В. Якщо перемичка встановлена \u200b\u200bміж 5V і VCC, то, в принципі, питань не виникає - працюють рівні ТТЛ, тобто логічна одиниця досягає п'яти вольт. Але якщо встановити перемичку між VCC і 3,3V, то питання виникають, тому що при цьому напруга на штирьком 3,3V піднімається до 3,8В (як було на VCC до установки перемички), а на виходах порту логічна одиниця досягає 3,6 ... 3,8В, що забагато для 3,3. Без установки перемички на виходах рівень одиниці теж досягає 3,6 ... 3,8В. Може, при цьому нічого і не згорить, але упор в гранично допустимі значення - не найкращий фактор для надійності.

5. Переваги та недоліки конвертера на CH340G

З недоліків я зазначив лише два дрібних дрібниці, на які можна не звертати уваги при грамотному підході. Один з них - не зовсім вдале узгодження зі стандартом 3,3. Але якщо ви не використовуєте харчування 3,3, або використовуєте, але завдання узгодження рівнів не є для вас проблемою, то все в порядку. Другий мінус - все світлодіоди даного модуля одного кольору - червоні, що змушує запам'ятовувати їх розташування, якщо ви хочете по ним орієнтуватися. Але в реальній практиці необхідність в світлодіодах не настільки велика, а якщо вони все-таки потрібні, то можна їх замінити своїми.

Плюсів однозначно більше. Перш за все, радує відсутність проблем з драйверами. Як я вже сказав вище, для мікросхем CH340 драйвера на Windows встановлюються автоматично, включаючи останні версії ОС. А ось з конвертерами на мікросхемі PL2303 все набагато складніше. Для старих мікросхем немає драйверів під нові версії Windows. А старих мікросхем в минулому було випущено море. Якщо не помиляюся, це і послужило причиною того, що розробники не стали підтримувати старі мікросхеми. Начебто, там була якась проблема з авторськими правами - на ринку виявилося багато контрафактних мікросхем. І тоді розробники, нічого принципово не змінюючи в новій мікросхемі, змінили лише те, як вона відгукується на запит драйвера. Грубо кажучи, на питання "Ти хто?", Нова мікросхема стала відповідати: "Я Вася-плюс". А якщо драйвер отримує відповідь "Я Вася", то він каже цій мікросхемі: "Іди лісом, Вася без плюса". Тобто чисто технічно новий драйвер цілком міг би працювати і зі старою мікросхемою. Наскільки я знаю, існують навіть способи обходу цієї напасті - чи то якось новий драйвер змушують працювати зі старою мікросхемою, то чи старий драйвер "прикручують" до нової ОС.

Ще одна зручність даного модуля полягає в тому, що крок розташування висновків у мікросхеми CH340G значно більше, тому паяти набагато легше. У цій мікросхеми всього 16 висновків, серед яких в основному тільки все найнеобхідніше, на відміну від PL2303, де, судячи з усього, є висновки на всі випадки життя.

На мій погляд, плюсом можна порахувати і високоомних "підтяжки" входів, що зменшує струм логічного нуля, а значить, пред'являє менше вимог до джерела сигналу. Якщо ж вимоги по захисту від перешкод дуже високі, то можна без зусиль організувати додаткову "підтяжку" зовнішнім резистором. При використанні даного модуля в ролі (див. Малюнок справа) можна ставити все резистори з однаковим опором (1К ... 4,3К). Тобто сильно занижувати опір на вході CTS не потрібно.

Додам ще, що в минулому я проводив порівняльне тестування двох конвертерів на мікросхемах PL2303  і CH340. Однозначно виграв CH340 - в екстремальних режимах отримати збої в роботі з ним було набагато важче. Хоча це був конвертер іншої конструкції (шнур-перехідник), але, як мені здається, можна очікувати, що і інші моделі конвертерів сімейства CH340 не менше надійні.

Якщо у вас є питання або зауваження по даній статті, пишіть в або на пошту mail.ru (ящик jkit).

З листування з відвідувачем сайту

12.05.2017 Гість:
  Привіт, Євген.
.htm
  У мене такий же конвертер (один в один).
Справа в тому, що мені потрібно перепрошити апаратуру FlySky i6 на 10 каналів. Спочатку перемичка варто в положенні "VCC-3V3". Я правильно зрозумів, що її потрібно так і залишити? Вибачте, але я не в темі, тому ставлю це питання. Не хочеться що-небудь спалити.

14.05.2017
  Привіт, Володимир!
  Відповідь на ваше запитання залежить від технічних характеристик тієї апаратури, до якої ви підключаєте модуль на CH340G. Я з цією апаратурою не стикався, тому точно нічого не можу сказати. Посилання, яку ви дали видає помилку 404. Але, навіть якби посилання працювало, навряд чи б я знайшов час детально розбиратися в тій апаратурі. Спробуйте для початку VCC-3V3. Думаю, гірше не буде. Про всяк випадок поставте резистори по 1 кОм в кожен сигнальний провід (це через те, що практично не 3,3 У, а більше).

14.05.2017 Гість:
  Привіт, Євген.
  Спасибі за пораду! Дійсно, краще почати з малого.
  А 1 кОм - це з розрахунку на який струм було? (Я просто не в курсі які струми протікають по сигнальному проводу, і знайти ніде не зміг)

17.05.2017
  Привіт, Володимир!
  Питання сформульовано некоректно. Навіщо вам знати струм? 1 кОм я взяв "на око", виходячи з того, що якщо десь навіть якимось чином до резистору аварійно додасться 5 В (а більше, по ідеї, поблизу і бути не повинно), то струм складе 5 мА, що не повинно привести до негативних наслідків.

17.05.2017 Гість:
  Привіт, Євген.
  Говорив про струм, тому що якщо він наближений до нуля, то падіння напруги на резисторі не буде і на виході будуть ті ж 3,6 В замість 3,3 В. Але сенс вашої перестраховки зрозумів, спасибі за зауваження.

19.05.2017
  Привіт, Володимир!
  Там суцільно нелінійні елементи. І справа не в тому, що зайві 0.3 У можуть щось пробити напругою, а саме в тому, що навіть невеликий приріст напруги може раптово викликати нелінійно швидке зростання струму. Наприклад, можуть відкритися захисні діоди на входах і т.п. Резистор надає лінійності ланцюга і не допускає такого розвитку подій. А нормальні струми зазвичай маленькі (хоча і не завжди), тому резистор не повинен перешкодити. Виняток - низькоомних підтяжка на вході. Тоді резистор не дозволить її "побороти" і нічого не заробить. Це виявляється осциллографом, або навіть вольтметром (в статичному режимі).

19.05.2017 Гість:
  Привіт, Євген.
  Спасибо большое за детальне роз'яснення. Тепер хоч розумію сам механізм такого захисту. А то я вже думав, що китайці могли спеціально завищити напруга з урахуванням падіння при включенні навантаження. Тепер зрозуміло, що це просто недолік.

20.05.2017
  Привіт, Володимир!
Щоб напругу не "просідала" при підключенні навантаження, підвищують здатність навантаження виходу. "Зайве" напруга для цього не додають. Звичайно, 3,6 В замість 3,3 В - це не так вже й багато, і навряд чи щось з-за цього зламається. Але 3,8 У подавати на вхід мікросхеми, що живиться від джерела 3,3 У небезпечно, так як зайві 0,5 У вже цілком здатні відкрити захисний діод на вході, і, якщо здатність навантаження виходу велика, він може пошкодити підключений до нього вхід . "Страхувальний" резистор цьому перешкоджає.