USB UART адаптер

Rate this item
(0 votes)

 

Твой собственный UART USB адаптер за 210 рублей! Сделай сам! Попробуй свои силы.

 

 

Зачем нужен USB UART адаптер

Как следует из названия данный прибор организует мост между компьютером через USB порт и вашим устройством по Serial протоколу. Можно сказать что он является USB COM портом для логики TTL (уровни 1.8v-5v).

С помощью данного прибор можно программировать различные микроконтроллеры, получать информацию на компьютер со прибора по serial порту. Кроме этого применений ему масса:

  • управление устройством

  • отладка программы

  • передача небольших объёмов данных

  • прошивка различных приборов —разработчики часто делают выход serial для возможности перепрошивки своего устройства

  • прошивка микроконтроллеров — многие микроконтроллеры имеют Bootloader (специальная программа для загрузки прошивки по serial) загруженный на заводе, и для загрузки прошивки не нужен специальный программатор — достаточно данного устройства.

Нам он будет необходим в первую очередь для прошивки ST-Link. Ну и собственно так как тут нечего программировать — прибор состоит из одной микросхемы — то на этом приборе мы поучимся паять и работать в Kicad. В этой статье подробно рассмотрим как трассировать печатную плату вручную.

Как изготовить USB UART адаптер

1. Прочитать эту статью внимательно и до конца!

2. Подготовить или приобрести необходимые инструменты: все для пайки

3. Внимательно прочитать статьи из раздела Обязательная теория.

4. Скачать необходимые файлы по данному прибору с github.

5. Изготовить плату для прибора самостоятельно (это совсем несложно, в нашей инструкции все подробно описано).

6. Приобрести все необходимые комплектующие в виде готового радиоконструктора можно в нашем магазине.

7. Запаять все компоненты на плату, смотри наше видео.

ПРИБОР ГОТОВ, можно пользоваться!

Как работает USB UART адаптер

Для реализации данного моста обычно используется специализированная микросхема, которая с одной стороны имеет usb выход, а с другой — serial выход. Обычно эти микросхемы имеют драйвера для Windows \ Linux и определяются системой как COM — порт. Дальше используется специальная программа для работы через COM порт. Это может быть и программа прошивки микроконтроллера или программа для получения данных от прибора и т. д.

Выбираем микросхему для прибора

По сути данное устройство будет состоять из разъемов, микросхемы и минимальной ее обвязки. Так что, у нас не будет никакого функционального ТЗ в данном случае. Основной критерий по которому мы будем выбирать микросхему — удобство пайки, цена.

Итак, самые распространённые микросхемы для данного девайса:

  • cp2102 (cp2103) — дешевая отличная микросхема, но имеет корпус QFN28 — то есть безвыводный корпус — паять такую в самом начале пути не очень легко — поэтому мы ее не будем использовать

  • pl2303 — отличная микросхемы фирмы Prolific — существует очень много вариантов этой микросхемы (в том числе китайские подделки). У нее корпус TSOP28 — отлично подходит для пайки. И старые модификации стоят недорого и отлично работают. Мы будем использовать ее — модификация pl2303HX (rev. A) — самый недорогой вариант. Есть модификация Rev. D которая не требует внешний кварц — но она стоит в 2 раза дороже. Также сам prolific рекомендуем использовать версию pl2303TA — но она тоже дороже.

  • CH340 — китайский вариант (оригинал) моста — микросхема хорошая — но ее трудно купить где-либо кроме как в Китае.

  • FT232R — микросхема от FTDI — отлично подходит и работает — но стоит почти в 2 раза дороже. Ее плюс также в том что не требуется внешний кварц.

Несколько слов о том как подобрать микросхему для своего проекта. Есть очень простой путь. Сначала необходимо найти одну микросхему которая подходит под данную задачу. Набираем в интернете — USB — serial chip и сразу находим — FT232R. Отлично. Далее идет на сайт крупного поставщика микросхем — например — mouser.com. Там в поиске набираем — FT232R. И в разделе интегральных схем видим нашу микросхему.

Самое главное для нас здесь — ЭТО КАТЕГОРИЯ в которую входит микросхема. Здесь это «ИС интерфейс USB». Также смотрим тип «Bridge, USB to UART». Идем в эту категорию и смотрим какие бывают микросхемы. Далее проверяем по datasheets подходит ли она нам.

 

Итак, наш выбор PL2303HX (rev. A).

Составляем схему на базе PL2303

Любая схема должна начинаться с чтения Datasheet. Производитель микросхем очень заинтересован в том, чтобы купили именно его чип. В документации он обычно максимально подробно разбираем как пользоваться микросхемой, прикладывает схемы и пишет тонкости и особенности реализации прибора на этом чипе. Посмотрим что советует нам производитель (из документации на чип pl2303HXD):


тут приведена полная схема с трансивером (преобразователь уровня до 9v) для получения полного COM порта. Нам эта часть не нужна. Также схема не содержит кварца, а нам он необходим. Дополнительно можно отметить, что еще не хватает светодидов для сигнализации процесса обмена данными. В итоге поискав различные варианты схемы на данной микросхеме (pl2303 schematic) нашли самую простую схему со светодиодами и кварцев — ее и возьмем.


По сути на этой схеме сокращена обвязка USB порта (убраны высокочастотные фильтры L1 L2), убран трансивер. В остальном схема совпадает. Мы же дополнительно ещё добавим разводку всех сигнальных выводов DTR и т. д. - они могут быть полезны. Также следует отметить, что на вывод согласования уровней в нашей версии чипа нельзя подавать 5v, поэтому на разъеме уберем подальше этот вывод. Сам вывод для согласования уровней оставим — вдруг необходимо будет пользоваться UART на 1.8v. Таким образом, по умолчанию у нас будет стоять джампер соединяющий вывод 4 и 3.3v и на выходе всех сигналов UART у нас будет 3.3v. Данного напряжения уверенно хватает для определения логической 1 в 5v схеме, согласно datasheet все сигнальные ножки толерантны 5v ( то есть на них можно подавать 5v смело). Так что при таком подключении схема будет работать с напряжением от 3.3в до 5в. Дополнительно оставим выводы 5v и 3.3v для питания например прошиваемого контроллера. Имейте ввиду, что без внешнего EEPROM usb порт будет отдавать только 100ma! Соответственно питать что-то существенное не получится.

С точки зрения чертежа схемы в Kicad никих особенностей нет. Проще не чертить соединения проводами, а использовать метки, тем более это будет удобно в дальнейшем при трассировке платы. В итоге получается такая схема (проект в Kicad можно скачать в конце статьи):

Разрабатываем плату в Kicad

Разрабатывая схему, можно сразу прикинуть в какой последовательности будут идти вывода на разъеме. Чтобы было проще лучше чтобы порядок соответствовал выводам на самом чипе. Но в принципе это не столь важно и можно впоследствии быстро переделать.

Прежде чем разрабатывать плату необходимо определится какие у нас будут использоваться разъемы и определить посадочные места. Мы будем делать плату переходник которая втыкается в usb порт и на конце имеет угловые разъемы PIN 2.54mm — это самый распространяенный формат. На конечный разъем мы выведем только наиболее нужные выводы — остальное просто разведем на плате и оставим как дырки на будущее. Основные выводы: RX, TX, 5V, 3.3v, DTR (часто используется как reset схемы микроконтроллера при прошивке). Остальные выводы разведем в самом конце.

Итак, начинаем трассировку платы. В схеме формируем список цепей — Инструменты — сформировать список цепей. Переключаемся в плату и по кнопке Инструменты-Список Цепей — прочитать текущий список цепей. Загружаем все посадочные места в плату. Далее размещаем все посадочные места в авторежиме. Получаем такой набор компонентов.


На данном этапе лучше скрыть лишнюю информацию. Убираем отображение слоев Связи, Скрытый текст, Значения, Обозначения.

Далее начинаем располагаем на будущей плате основные компоненты — разъемы и чип. Так чтобы выводы чипа располагались согласно подключению разъемов. Особенно важно в этом случае чтобы выводы подключения USB были напротив разъема. Наводим мышку на нужный компонент — жмем M — и переносим его чуть ниже на пустое место — формируем будущую плату. Так как плата у нас двух стороняя — то надо сразу определить нужную сторону компонент. Самый просто вариант — все DIP элементы (под которые надо сверлить сквозные отверстия) располагаем с обратной стороны, а все smd элементы с основной стороны — так проще будет подводить дорожки. Для смены стороны используем кнопку F. Так как Kicad умеет подсвечивать связи при переносе элемента, то очень удобно все резисторы связанные с разъемами размещать сразу. Это позволит быстро увидеть связи при переносе микросхемы. Итак, размещаем USB разъем, потом резисторы с ним связанные на сигнальных линиях и потом разъем на другом краю платы:


дальше размещаем чип — так чтобы было как можно меньше пересечений.

Далее размещаем кварц (тоже с обратной стороны — он у нас выводной). Он должен быть как можно ближе к выводам чипа.


После этого размещаем кондецаторы по цепям питания — они должны быть как можно ближе к выводам питания.

После этого соединяем дорожками обязательные выводы — это usb сигнальные — кварц, кондецаторы по питанию. Прикидываем линии питания. Если что-то не удобно — то компоненты двигаем — переносим.

Например кондецатор C3 удобнее перенести вниз чтобы не делать переходное отверстие. Конечно это не очень хорошо — но в данном случае дорожка будет очень небольшая.

После размещения основных элементов размещаем оставшиеся — ориентируясь на подсказки по связям и стараясь не пересекать дорожки.


Теперь осталось разобраться с разъемами и линиями питания — их можно провести по второму слою. В итоге видно, что довольно сложно получается развести светодиоды и подтягивающие резисторы. Они перекрывают остальные выводы. Поэтому проще их перенести на другую сторону — она как раз будет лицевой, и туда же провести линию vddio.

Осталось выводы на разъеме расположить в порядке следования выходов чипа. И финально все соединить. На этом этапе плату можно сделать более компактной. Финальный вариант который получился. Можно сделать еще лучше .. но вариант удовлетворительный.

Финально остается задать диаметры переходных отверстий и толщину дорожек — лучше сделать 0.3мм. Выровнять линии и добавить земляные полигоны. Начертить границы платы.

Как пользоваться USB UART конвертером

Для пользования данных приборов в Windows необходимо установить драйвера. Свежие драйвера можно взять на сайте производителя. Если они не подходят, то можно установить более старые драйвера 1.15 — который можно найти в интернет.

После установки драйверов устройство должно определиться как COM порт.

Для Windows самая лучшая программа для работы с COM портом — это Terminal 1.9b (приложена к статье)

Для тестирования нашего устройства необходимо проводами соединить выходы TX — RX. В этом случае мы получим режим эхо — все что будет передано в порт должно тут же возвращаться назад. Скорость при это может быть любая.

Работать с программой очень просто — выбираем порт — можно автоматически по кнопке ReScan или вручную. Задаем скорость и параметры порта. Далее в окне видим все что пришло по терминалу, а в строке SEND можно передать любую информацию. Чтобы передать спецсимволы необходимо использовать запись виды «$1a» в шестнадцетиричном формате.

Для linux устройство должно определится само (драйвера входят в ядро). Неплохая программа — minicom.

Для понимая остальных сигналов данного устройства — DTR, DSR и другие — вот тут есть очень хорошая статья.

Как собирать прибор

Собираем прибор по общим правилам описанным в нашей статье.

Для более быстрой сборки, вы можете приобрести полный набор для пайки, радиоконструтор USB UART адаптер в нашем магазине.

Самостоятельная работа

Попробуйте осуществить трассировку самостоятельно не подглядывая в данную статью.

 

Read 4566 times