что такое usb uart

Простой USB-UART преобразователь с гальванической развязкой

В процессе разработки электронных устройств под управлением микроконтроллеров часто возникает задача передать какие-то данные с устройства на компьютер или наоборот. Вероятно самым простым способом является использование USB-UART переходников, которых существует великое множество, но я решил сделать свой «велосипед» и поделиться результатом с вами.

У меня стояла задача сделать для себя любимого простой, дешевый, компактный и главное гальванически развязанный преобразователь USB-UART. Основной кейс для меня — отладка через printf по uart, да да, я в курсе про SWO и иные методы, но мне удобнее работать именно с uart-ом. Наличие изоляции для меня критично, т.к. в основном мне приходится проектировать силовые преобразователи, которые могут легко спалить, например, usb порт моего ноутбука. Правда если у вас в устройствах нет высокого напряжения, то расслабляться тоже не стоит, какие-нибудь 12В так же прекрасно могут вывести из строя ваш ПК. Разумеется не стоит забывать и о помехах, гальваническая развязка частично препятствует попаданию всякой гадости в usb порт.

Как видите у развязанных преобразователей интерфейсов одни плюсы, но тут некоторые возразят: «Зачем? Все же есть на Алиэкспресс». Тут ответ простой — меня не устроили ни цена готового устройства, ни его габариты, ни качество. В итоге за пару часов я «изобрел велосипед», который удовлетворит все мои хотелки и после изготовления получилось вот так:

Хотите обезопасить свои usb порты и узнать зачем так много? Тогда поехали :))

Концепт

Изначально я хотел лишь сделать себе парочку «свистков» для отладки, а в будущем еще и использовать их для отправки заказчикам, например, чтобы безопасно обновить прошивку через встроенный bootloader или снять логи, если что-то пошло не так. Отсюда и была задача сделать очень дешевую железку, чтобы не жалко было раздавать направо и налево. Правда все пошло немного иначе…

В своем телеграм-канале я сделал объявление с предложением присоединиться к заказу, ведь при увеличение партии уменьшалась стоимость устройства. В итоге за день набралось заказов на 50 штук + 10 штук себе, больше набирать не стал уже. Собственно поэтому на КДПВ не 10 штук, а несколько больше. Забегая вперед скажу, что такой мелкосерийный заказ позволил уменьшить стоимость одного устройства с

375 руб, что довольно неплохо.

Еще одной особенностью преобразователя стало то, что на нем не установлен гальванически развязанный dc/dc преобразователь на 5В. Структурная схема выглядит так:

Как видите изолятор ISO7721 с левой стороны запитывается от 5В самого USB, а с правой стороны вы должны подать уже напряжение нужного вам логического уровня. Данный изолятор работает при стандартных уровнях 2.5, 3.3 и 5В, то есть если вы работаете с STM32, то на пин VREF подаете +3.3В, а если с ATmega8, то подаете уже +5В. Довольно удобно и у такого решения есть ряд плюсов.

Во-первых, установка нормального dc/dc ведет к удорожанию устройства в 2 раза и вот зачем нам это, если питание со стороны usb есть всегда, а питание со стороны МК тоже будет, ведь иначе и принимать от него нечего.

Во-вторых, если мы устанавливаем, например, dc/dc с входным напряжением 5В, а выходным 3.3В, то мы с него уже вряд ли запитаем какой-нибудь МК на 5В. Мне это не особо нужно, но кому-то наверняка потребуются 5В, ведь не одними атмегами и кортексами живем.

Проект

Теперь к главному — к проекту. Выполнен он в Altium Designer, исходник проекта открыт, библиотеки для AD так же открыты, если вдруг кому-то понадобятся. Для тех, у кого нет Altium-а, я выгрузил все необходимые файлы и самое главное — Gerber-файлы для заказа печатных плат.

Панелизация

Мне предстояло заказать не 10 плат для себя, а несколько больше, поэтому было решено собрать в панель. Наверняка в будущем я так же буду собирать себе минимум по 10-20 штук данных преобразователей, а осуществлять установку компонентов на 10 плат сразу гораздо удобнее и быстрее. Так же решил сразу заказать 100 плат, ведь все равно пригодятся в дальнейшем, а у китайских лоукостеров (сам заказывал на PCBway) ценовая политика строится так, что 100 плат стоят как 60.

В итоге у меня заказ был на 10 панелей по 10 плат, толщина текстолита нестандартные 2 мм, что несколько увеличило стоимость. С доставкой заказ вышел в 98$ или 0,98$/шт. Толщину выбрал больше, т.к. при 2 мм текстолите он идеально плотно вставляется между выводами разъемов PLS, а это облегчает монтаж, ну и дополнительная жесткость и прочность платы как бонус.

Спустя некоторое время ко мне приехали вот такие панельки:

А так же и трафарет для нанесения на них пасты:

Для тех, кто захочет собрать себе данный преобразователь на github в папке Manufacture имеются gerber-файлы и для единичной платы, и для панели на 10 плат, как на фото.

Сборка и тестирование

Так как устройство простое и состоит всего из 18 компонентов, то ошибиться тут особо не где, все заработало сразу, единственное откуда могут придти проблемы — это монтаж, обычно если что-то не работает, то смотрите на пайку разъема USB и корпуса QFN, все остальное не должно вызывать проблем. Все резисторы, конденсаторы и светодиоды имеют размер 0603, тоже не должны вызывать проблемы при пайке феном или в печке, да и паяльником тоже вполне под силу даже новичку.

После сборки 60 штук нужно было проверить перед рассылкой, я сделал просто — взял разъем PBD-4, который является ответной частью для PLD-4, на нем закоротил ноги RX и TX, чтобы получить «эхо», то есть отправленные с терминала данные тут же принимались им самим. И собственно не забываем подать 3.3 или 5В на выводы VREF и GND разъема.

Получаем простой и быстрый способ протестировать устройства. Тестировал с терминалом YAT, просто отправляя строку и если все хорошо, то она тут же прилетала обратно:

Финал

Как результат данного мелкого проекта стала рассылка преобразователей по десятку городов, для конечного получателя стоимость преобразователя вышла в 375 руб/шт + пересылка 1 классом авиапочтой еще 175 руб. В теории можно было сделать еще дешевле, заказав компоненты в Китае, а не на digikey, но мне так спокойнее, когда я уверен, что Samsung это все таки Samsung, а Yageo таки Yageo.

На самом деле дешево получилось по одной простой причине — в проекте нет коммерческой составляющей. Если накинуть сюда все временные расходы, а так же прибыль, то цена была бы не такая интересная, благо задачи «заработать» не стояло.

Надеюсь кому-то данный проект будет интересен и вы его повторите без проблем. Для удешевления на github есть описание замен, если вы не сможете купить позиции по part-number из ВОМа.

Источник

6-ти пиновый конвертер USB/UART для тех кто не любит давить ресет на Arduino

Обзор конвертера USB — UART TTL на CP2102

Зачем он нужен

Программировать различные ардуино- и не адуино- образные контроллеры, получать информацию на компьютер со всего, что имеет последовательный интерфейс с TTL логикой.
Я в своих проектах использую его с Arduino Pro MIni, Gboard/Iboard и самодельными контроллерами.

Дополнительным выводом DTR, который можно напрямую подключить к входу RESET на контроллерах не имеющих USB на плате. После этого при программировании давить кнопку RESET не нужно. Для меня это очень удобно, когда контроллер спрятан недрах моей поделки и доступ к кнопке бывает очень затруднительным.

Поддержкой производителя, совместимостью с оригинальными драйверами и ПО, в отличие от поддельных FTDI, у которых проблемы с родными драйверами

Дополнительными выводами (дырками под контакты) на плате, например, позволяющими уводить USB в энергосберегающий режим.

Интересной возможностью менять VID, PID и текст, с которым опознается плата, собирать свой драйвер со требуемыми параметрами, что довольно интересно в коммерческих проектах. Об этом я расскажу дальше.

Тех, кого заинтересовал, пожалуйста под кат

Товар ехал целых 54 дня. Ну к нашей почте я уже привык, чего не скажешь о курсе доллара к рублю (((

Обычный желтый пакет. Внутри платки в запаянных прозрачных пакетиках. Все как обычно.

На плате есть дополнительные отверстия, куда можно впаять выводы дополнительного модемного контроля и перевода USB в режим SUSPENDED

Характеристики

Плата FOCA 2.2 взята для коммерческого проекта с GBoard и IBoard

Перед использованием платы необходимо установить драйвера с официального сайта Si-Labs

Для соединения к контроллеру нужны 5 проводов:
GND — GMD
VCC — V5.0 (V3.3) в зависимости от используемой платы
TX — RX
RX — TX
RESET контроллера — DTE

Теперь контроллер можно программировать не нажимая кнопку RESET.

Плата опознается в системе как
Silicon Labs CP210X USB to UART Bridge (COM35)

Иногда в коммерческих проектах необходимо, чтобы устройство при программирование имело свое коммерческое название. Чип CP2102 и плата на нем дают большие возможности для этого

Для начала скачиваем и запускаем Утилита для конфигурирования параметров EEPROM CP1202″> (мне для запуска утилиты потребовалось еще скачать Java Runtime)

И после нехитрого мастера-диалога получаем дистрибутив драйверов с требуемым набором VID и PID и желаемым названием в системе

Данная плата одна из самых дешевых конвертеров USB/UART не использующих поддельные чипы.
Имеет вывод DTR, позволяющий автоматически посылать RESET для загрузки ПО в контроллер
Позволяет настраивать VID, PID и драйвера под свои проекты
К покупке рекомендую

Полезные ссылки

О всех моих проектах можно прочитать в моем блоге

Источник

UART – Последовательный интерфейс передачи данных

В сегодняшней статье мы с вами разберемся с последовательным интерфейсом UART, узнаем его плюсы и минусы, а также научимся отлаживать программу с помощью Arduino IDE без применения программаторов. Вас заинтересовало? Тогда читайте дальше!

Серьёзные среды разработки, типа IAR или ATMEL Studio, как правило, содержат в себе либо программный симулятор целевого микроконтроллера, либо имеют программные средства для работы с аппаратными отладчиками.

Среда Arduino IDE не имеет ни того, ни другого, что значительно усложняет поиск ошибок в программе. Компилятор выявляет только синтаксические ошибки, наряду с которыми существуют еще и логические (написано-то правильно, только не то делает), не говоря уж о подсчёте различных коэффициентов… Программы не пишутся без ошибок!

Существует множество методов отладки, но практически для всех необходимо физическое соединение с компьютером. Все платы Arduino (кроме Pro и Pro Mini) имеют «на борту» USB-разъём и специальную микросхему, которая преобразует интерфейс UART в USB. Так не будем же придумывать ничего лишнего и сделаем простейшую отладку с помощью интерфейса, который у нас уже есть!

Среда разработки Arduino IDE уже имеет в своём составе монитор последовательного порта, который позволяет просматривать данные, проходящие через порт, а также отправить свои данные. Таким образом, мы всегда можем передать данные из нашего устройства прямо в компьютер и вывести на экран.

Монитор порта – не единственное средство для работы с ним, в сети можно найти множество программ-мониторов, которые позволяют не только принимать данные, но и стоить графики на их основе, записывать данные в таблицу и многое другое! Это значительно упростит отладку программы.

Так как интерфейс UART выведен не только к преобразователю интерфейсов, его можно использовать и для связи между платами Arduino или, например, платой и датчиком, но это уже тема для другой статьи.

UART интерфейс — описание

UART в переводе с английского звучит как “Универсальный Асинхронный Приёмопередатчик”. Существует ещё его синхронная версия с дополнительной линией тактового сигнала, но она не интересна нам в рамках статьи.

Каждый бит каждого байта передаётся в равный отведённый промежуток времени (фактически, тайм-слот). Стандартным размером данных в посылке является 8 байт, но помимо данных каждый пакет несёт и служебную информацию, а именно:

Кратко параметры передаваемого сигнала записываются так:

[кол-во бит данных] [тип чётности] [кол-во стоп-битов], то есть запись 8N1 характеризует сигнал с 8 битами данных, без бита чётности (N – Not) с 1 стоп-битом.

Так как интерфейс асинхронный, то большую значимость имеет скорость передачи данных – и у приёмника, и у передатчика она должна быть одинаковой.

Скорость измеряется в битах в секунду, или коротко – в бодах. Стандарт RS232 подразумевает скорости от 1200 до 115200 бод, хотя по факту существуют скорости и ниже, и выше, причём до десятков мегабод!

Разумеется, точность везде относительна и скорость никогда не будет равняться 9600 бодам с точностью до единиц. Стандарт предусматривает возможную ошибку в скорости до 5% (не более 3% для уверенного приёма).

Далее сведены основные сведения о сигнале:

4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 бод.

UART может быть запущен как в полудуплексном (только приём или только передача) режиме, так и в полнодуплексном режиме, так как линии приёма и передачи разделены. Линия TXD отвечает за передачу, RXD – за приём, соответственно, линии от приёмника к передатчику перекрещиваются (TX-RX, RX-TX).

Реализация UART в Arduino

Все платы Arduino, построенные на основе оригинальных, имеют минимум один интерфейс UART, продвинутые же платы, типа Arduino Mega 2560 Или Arduino Due, имею сразу 4 аппаратных интерфейса! Они не загружают контроллер, так как они отделены от ядра; всё, что необходимо – это сконфигурировать порт и запихать данные в буфер, после чего операции передачи пойдут независимо от вас.

Конечно, существуют и программные реализации UART, но они нагружают процессор. В любом случае, лучше использовать сначала аппаратные интерфейсы, а потом уже начинать придумывать что-то программное.

Контроллеры Arduino используют логические уровни такие же, каким является питание, то есть для самой популярной платы Arduino UNO уровни будут равны – ноль = 0В, 1 = 5В.

Выводы подключены к преобразователю интерфейсов через резисторы с сопротивлением 1 КОм, а к гребёнкам по бокам платы – напрямую, поэтому сигналы с гребёнок будут иметь больший приоритет. Периодически это мешает прошивать платы с подключенным датчиком по UART, так как для прошивки тоже используется UART.

Микросхема преобразователя интерфейсов не делает из себя ещё один COM-интерфейс для компьютера, она лишь эмулирует его. Несмотря на это, все программы, которые работают с COM-портом посредством Windows API (Win32 API), не отличат порт от физического порта компьютера.

Класс Serial – RS232 в лучших традициях Arduino

Для удобной работы с последовательным портом разработчики Arduino написали целую библиотеку, которая значительно упрощает работу с портом, абстрагируя конечного пользователя от простой, «железной» работы с регистрами. Класс имеет множество функций, которые будут рассмотрены нами далее. Но сначала надо понять, как же компьютер примет и обработает, а точнее покажет то, что мы ему передали.

Всё дело в том, что каждый символ раскладки клавиатуры – это тоже байт. И если просто взять и отправить в порт число 65, он не выведет две цифры 6 и 5, а выведет заглавную латинскую букву А. Почему так? Потому что в таблице кодировки буква А имеет код 65. Класс позволяет выбрать между текстовым и бинарным методом передачи данных, то есть мы сможем отправить число 65 и как букву, и как число.

Источник

UART ПРОТОКОЛ: ОПИСАНИЕ РАБОТЫ

UART (Universal Asynchronous Transmitter Receiver) это наиболее распространенный протокол, используемый для полнодуплексной последовательной связи. Устройство отправляет и получает данные из одной системы в другую. В этом мануале мы подробно изучим основы связи и работу протокола UART, подробное описание интерфейса и распиновку разъёмов..

Что такое UART

UART означает универсальный асинхронный приемник-передатчик. Это периферийное оборудование, которое находится внутри микроконтроллера. Функция UART заключается в преобразовании входящих и исходящих данных в последовательный двоичный поток. Восьмибитные последовательные данные, полученные от периферийного устройства, преобразуются в параллельную форму с использованием последовательного преобразования в параллельное, а параллельные данные, полученные от ЦП, преобразуются с помощью преобразования из последовательного в параллельный. Эти данные представлены в модулирующей форме и передаются с определенной скоростью передачи.

Почему используют UART

Для быстрой связи используются такие протоколы, как SPI (последовательный периферийный интерфейс) и USB (универсальная последовательная шина). Но когда высокоскоростная передача данных не требуется, применяют протокол UART. Это дешевое устройство связи с одним передатчиком и приемником. Тут требуется лишь один провод для передачи данных и один для приема. О конвертере USB-ART прочитайте по ссылке.

Его можно подключить к персональному компьютеру с помощью преобразователя RS232-TTL или USB-TTL. Сходство между RS232 и UART заключается в том, что им обоим не нужен таймер для передачи и приема данных. Кадр UART состоит из 1 стартового бита, 1 или 2 стоповых битов и бита четности для последовательной передачи данных.

Блок-схема UART

UART состоит из следующих основных компонентов: передатчик и приемник. Передатчик состоит из регистра удержания передачи, регистра сдвига передачи и логики управления. Точно так же приемник состоит из регистра удержания приема, регистра сдвига приемника и логики управления. Обычно и передатчик, и приемник снабжены генератором скорости передачи данных.

Генератор скорости передачи данных формирует скорость, с которой передатчик и приемник должны отправлять и получать данные. Регистр удержания передачи содержит передаваемый байт данных. Регистр сдвига передачи и регистр сдвига приемника сдвигают биты влево или вправо, пока байт данных не будет отправлен или получен.

В дополнение к этому, предусмотрена логика управления чтением или записью, указывающая когда читать и записывать. Генератор скорости передачи данных формирует скорости в диапазоне от 110 бит / с до 230400. В большинстве случаев микроконтроллеры предлагают более высокие скорости передачи, такие как 115200 и 57600 бит / с, но такие устройства как GPS и GSM, используют более низкую скорость в 4800 и 9600 бод.

Как работает UART

Передатчик и приемник используют стартовый бит, стоповый бит и параметры синхронизации для взаимодействия друг с другом. Исходные данные находятся в параллельной форме. Например есть 4-х битные данные, и чтобы преобразовать их в последовательную форму нужен преобразователь из параллельного в последовательный. Обычно для проектирования преобразователей используются D-триггеры.

D-триггер, также известный как триггер данных, сдвигает один бит со стороны входа на сторону выхода только тогда, когда таймер изменяет переход из высокого состояния в низкое или из низкого состояния в высокое. Точно так же, если надо передать 4 бита данных, понадобится 4 триггера.

Теперь спроектируем преобразователь из параллельного в последовательный и из последовательного в параллельный.

Параллельное преобразование в последовательное

Последовательное преобразование в параллельное

Шаг 1: Возьмем 4 триггера. Количество триггеров совпадает с количеством передаваемых битов.

Шаг 2: Сначала отключим параллельную шину. Не включаем пока не будут загружены все биты. Сохраним данные на входе первого триггера. Теперь установим высокий уровень тактовой частоты, это сдвинет младший бит на вход второго триггера и выход первого. Точно так же сдвинем все биты один за другим, сделав тактовый импульс высоким. Преобразователь находится в состоянии удержания до тех пор, пока все биты не будут переданы на выход.

Шаг 3: Теперь каждый триггер содержит один бит последовательных данных. Пока все биты передаются на выход триггера, активируем шину. Это заставит конвертер отправлять все биты за раз.

Формат протокола UART

Начинается связь со стартовым битом «0». Стартовый бит инициирует передачу последовательных данных, а стоповый бит завершает транзакцию данных.

Он также имеет бит четности (четный или нечетный). Бит четности представлен как «0» (четное количество единиц), а бит нечетной четности представлен как «1» (нечетное количество).

Передача данных

Передатчик отправляет по одному биту за раз. После отправки одного бита отправляется следующий. Таким образом, все биты данных отправляются на приемник с заранее определенной скоростью передачи. При передаче каждого бита будет определенная задержка. Например, чтобы отправить один байт данных со скоростью 9600 бод, каждый бит отправляется с задержкой 108 мкс. Данные добавляются с битом четности. Таким образом для отправки 7 бит требуется 10 бит данных.

Прием данных

Для приема данных используется приёмная линия RxD.

Пример интерфейса UART

Этот пример демонстрирует взаимодействие ESP8266 UART с MAX232. Микросхема MAX232 питается от источника 5 В, и включает в себя генератор емкостного напряжения для управления напряжением 232 уровня. Она поставляется с двумя передатчиками, также называемыми драйвером (Tin, Tout) и приемниками (Rin и Rout).

Здесь использовался ESP8266 (32-битный микроконтроллер) со встроенным UART. Связь может осуществляться с ESP8266 с использованием AT-команд через преобразователь уровня RS232 в TTL (MAX232). На схеме показано подключение ESP8266 к компьютеру.

Запрашивая действительные AT-команды через ПК, микросхема Wi-Fi ответит подтверждением. Вот шаги для реализации последовательной связи с ПК.

Команды ESP8266

Далее показан ответ модуля ESP8266.

UART и USART

Основное различие между UART и USART заключается в том, что UART поддерживает только асинхронную связь, тогда как USART поддерживает как синхронную, так и асинхронную. Вот сравнение между USART и UART:

RS232 и UART

Логические уровни представляют собой уровни рабочего напряжения, которые устройство может выдержать для работы в безопасной зоне. Вот уровни напряжения для RS232 и TTL:

Логика TTL / CMOS

UART работает по TTL логике.

Преимущества и недостатки UART

Области применения протокола

Последовательный порт отладки использует драйвер UART для печати данных, поступающих извне. Можем использовать этот протокол для отправки и получения команд на встроенные устройства и от них. Также выполняется связь в GPS, модеме GSM / GPRS, чипах Wi-Fi и других модулях работающих с UART. Используется в доступе к мэйнфрейму для подключения разных компьютеров.

Форум по обсуждению материала UART ПРОТОКОЛ: ОПИСАНИЕ РАБОТЫ

Кодовая кнопка для ограничения доступа к объектам, простая схема с реле на МК Attiny13.

Изучение принципа действия и параметров кварцевого генератора, выбор КГ для различных устройств.

Модернизируем промышленный графический эквалайзер Прибой Э-014С.

Схема простого устройства для демонстрации эффекта электромагнитного ускорения металлического снаряда в пушке Гаусса.

Источник