Arduino USB UART чипы и драйвера CH340, CH340G, FTDI

Чипы FTDI, CH340, ATMEGA16U2 с драйверами позволяют плате Arduino и USB адаптерам подключаться к компьютеру и взаимодействовать с внешним окружением через Serial UART. С их помощью Ардуино может скачивать прошивку, загружать и отправлять данные, не заботясь о низкоуровневой поддержке последовательного соединения. В платах разных производителей могут использоваться различные чипы и драйвера.

В этой статье мы рассмотрим наиболее популярные микросхемы и узнаем, как скачать и установить соответствующие драйвера для нормальной работы Arduino Uno, Nano, Mega и другими платами.

Содержание [скрыть ]

• 1 Чипы CH340g, FTDI FT232, ATMEGA 16U2 / 8U2
• 1.1 Зачем нужен USB / UART TTL преобразователь
• 1.2 USB преобразователи в Ардуино
• 1.3 USB драйвер для ардуино
• 2 Установка драйвера для CH340
• 2.1 Установка драйвера CH340
• 2.2 Характеристики CH340
• 2.3 Чип FTDI для Arduino
• 2.4 Чип ATMEGA16U2/8U2 для ардуино
• 3 Заключение и выводы

Чипы CH340g, FTDI FT232, ATMEGA 16U2 / 8U2

Обычно с чипами USB преобразователей и поиском драйверов сталкиваются в тот момент, когда возникает проблема подключения платы к компьютеру. Скорее всего,  вы тоже нашли эту статью, пытаясь заставить Arduino IDE взаимодействовать с китайской ардуинкой. Давайте разберемся, какую роль во взаимодействии с компьютером играет чип преобразователя и зачем устанавливать какие-то драйверы, чтобы все заработало.

Зачем нужен USB / UART TTL преобразователь

Когда вы подключаете Ардуино к компьютеру или любому другому устройству по USB, вы связываете между собой сразу два мира: микропроцессорный, сосредоточенный на плате Arduino и мир внешних устройств. Подходы к организации взаимодействия между элементами в этих мирах сильно отличаются. Для работы внутри платы используется особый протокол со своими правилами взаимодействия – UART. И для того, чтобы “внутреннюю” линию соединить с “внешней” нужен определенный преобразователь-посредник, который будет хорошо понимать физические сигналы, используемые как для USB, так и для платы контроллера. Вот этим посредником и являются чипы USB- UART (иногда их еще обозначают называют USB-TTL, хотя это не совсем корректно) преобразователей, самыми популярными из которых являются микросхемы FTDI, CH340G,  ATMEGA U16.

USB преобразователи в Ардуино

Мы должны использовать внешние чипы, потому что контроллер ATMEGA328, являющийся сердцем большинства современных плат Arduino, не содержит в своих кристаллических внутренностях встроенного преобразователя. Если вы посмотрите на плату ардуино, то увидите корпус чипа, на нем можно разобрать и его тип.

Исторически наиболее популярным вариантом чипов USB/UART конвертера была линейка микросхем от шотландского производителя  FTDI. Главным ее недостатком была стоимость и весьма странная политика в области контроля контрафакта, зачастую приводящая к тому, что легальные купленные устройства блокировались драйверами компании. Сегодня существенную конкуренцию FTDI составляют микросхемы семейства CH340, массово производимые многочисленными китайскими производителями. Они гораздо дешевле и достаточно надежны и это постепенно привело к тому, что в большинстве недорогих контроллеров Arduino и адаптеров установлены именно чипы CH340 (CH340g).

Наверное, единственной, но очень важной проблемой при использовании CH340g взамен FTDI является необходимость в некоторых случаях установки USB драйвера. “Респектабельная” FTDI давно уже тесно интегрирована в Windows и при подключении устройства с FTDI-преобразователем никаких драйвером устанавливать не нужно – они уже есть в системе. Для подключения CH340g иногда нужно скачать драйвер и установить его – только после этого система увидит наше устройство.

Процедура установки драйвера для CH340g на самом деле очень проста и почти всегда проходит без ошибок на самых популярных операционных системах Windows7, Windows10. Именно поэтому никаких проблем с использованием недорогих ардуино плат, несущих на себе чип CH340, почти никогда не возникает.

Остается только вопрос – а зачем вообще нужен какой-то USB драйвер для подключения ардуино  к компьютеру? Давайте разберемся.

USB драйвер для ардуино

Мы не будем уходить в теоретические дебри, разбирая многочисленные коммуникационные протоколы, поддерживаемые современными компьютерными системами. Главное, что нужно понимать: когда мы присоединяем какое-то устройство к компьютеру, оно может передавать или получать данные только если его “поймут” с другой стороны. На стороне компьютера таким переводчиком является специальная программа, называемая драйвером. Драйвер USB работает в режиме эмуляции последовательного, COM-порта. Это означает, что при подключении операционная система создает виртуальные, программные COM-порты, с которыми и работает драйвер. В Windows их можно посмотреть в диспетчере устройств.

Если мы подключаем Ардуино к компьютеру, то чип с помощью драйвера попросит систему открыть порт и начнет взаимодействие . И для чипов разных  производителей потребуются разные драйвера. Проблемы возникают, когда драйвера нет. Система пытается найти его для подключенного устройства, не находит и мы никогда не  увидим его в списке устройств. Для решения проблемы надо найти и скачать соответствующие драйвера, а затем установить их на компьютер. Ниже мы рассмотрим, как это делается на примере USB драйвера CH340.

Установка драйвера для CH340

Китайские микросхемы CH340 используется довольно часто благодаря своей низкой стоимости и вполне приемлемому качеству.

В серию микросхем CH340 входят CH340T (мост USB – UART), CH340R (мост USB – IrDA) и CH340G (мост USB – UART). Последняя микросхема является наиболее распространенной и удобной с точки зрения корпуса с меньшим числом выводов.

Установка драйвера CH340

Если в вашей системе отсутствует драйвер, его можно легко установить. Процедура занимает 5 минут и практически никогда не вызывает проблем. Скачать драйвер для CH340 можно по этой ссылке .

Процесс установки драйвера разбивается на несколько шагов:

• Загрузка драйвера.
• Распаковка скачанного архива.
• Найдите папку CH341ER.
• Запуск исполнительного файла SETUP.EXE.
• Нажать на кнопку Установить.
• На этом установка драйвера на компьютер завершена.

Характеристики CH340

Микросхема обладает следующими характеристиками и возможностями:

• Не нужно большое количество внешних компонентов, требуются только кварцевый резонатор и 4 конденсатора.
• Создание виртуального последовательного порта.
• Возможность применения всех приложений для COM-портов.
• Работает с сигналами уровней 5 и 3,3В.
• Выполнена в удобном корпусе SO-16 с малым количеством выводов и небольшим числом внешних компонентов.
• Поддержка полной скорости спецификации USB0.
• Наличие встроенного буфера типа FIFO.
• Поддержка всех стандартных режимов передачи данных.
• Поддержка симплексного, полудуплексного, дуплексного асинхронных режимов обмена.
• Поддержка интерфейсов RS23, RS422, RS485.
• Рабочие температуры лежат в диапазоне от -40С до 85 С.

Распиновка микросхемы CH340G представлена на рисунке.

На плате обозначены следующие контакты:

1 – Земля.

2 – TXD сигнал UART.

3 – RXD сигнал UART.

4 – напряжение питания.

5 – UD+ сигнал USB.

6 – UD- сигнал USB.

7 – XI вход для кварцевого резонатора и конденсатора.

8 – XO выход для кварцевого резонатора и конденсатора.

9 – CTS сигнал UART.

10 – DSR сигнал UART.

11 – RI сигнал UART.

12 – DCD сигнал UART.

13 – DTR сигнал UART.

14 – RTS сигнал UART.

15 – Включение инверсии входа RXD.

16 – Питание.

Микросхема эмулирует работу последовательного порта. Все приложения работают с конвертером интерфейса CH340G без изменения кода.

Чип FTDI для Arduino

Шотландская фирма FTDI занимается разработкой аппаратных мостов “USB-UART” и “USB-FIFO”. Производство началось с запуска и продажи схем FT8U232 и FT8U245, которые в итоге стали очень популярными и востребованными на рынке устройств с USB. Эти виды микросхем имели всего лишь 1 режим работы и огромное количество дополнительных внешних элементов.

Следующим поколением аппаратных мостов были микросхемы FT232B и FT245B. В них добавился новый режим работы BitBang, также появилась возможность реализации восьми независимых линий ввода-вывода. Помимо этого была изменена схемотехника кристалла.

С 2006 года начался выпуск микросхем FT232R и FT245R, в которых были интегрированы на кристалл энергонезависимая память, тактовый генератор и другие компоненты. Основными преимуществами микросхемы FT232RL являются хорошая функциональность, легкость монтажа и минимальная обвязка. Распиновка модуля представлена на рисунке ниже.

Характеристики микросхемы FT232R:

• Одночиповый переходник USB-UART.
• Поддержка режимов передачи 7и 8 бит данных, 1 и 2 стоповых бита.
• Бесплатные драйверы VCP и D2XX.
• Скорость передачи 300 бод – 3 мегабод для RS422.
• Наличие встроенного идентификационного номера.
• Настраиваемые выходы CBUS.
• Вывод состояния приема и передачи на внешние светодиоды.
• Наличие буферов FIFO для высокоскоростного приема/передачи данных.
• Усовершенствованный режим bit bang.
• Встроенная память EEPROM на 1024 байт.
• Наличие встроенного стабилизатора напряжения на 3.3 В и для внешних сигналов от 1,8 до 5В.
• Высокая нагрузочная способность.
• Малое потребление энергии.
• Совместима с USB 2.0 Full Speed.
• Температурный диапазон от -40С до 85С.

Микросхема предоставляется с заранее запрограммированной памятью EEPROM, поэтому дополнительное программирование энергонезависимой памяти перед началом работы не требуется.

Чип ATMEGA16U2/8U2 для ардуино

Чипы ATMEGA16U2/8U2 используются в качестве моста между USB-портом и последовательным портом. Версия платы ATmega8u2 использовалась для предыдущих плат Ардуино Uno и Mega.

Технические характеристики чипа ATMEGA16U2:

• Процессор AVR.
• Высокая производительность, низкая мощность.
• Размер ядра 8-бит.
• Подключение SPI, UART/USART, USB.
• Количество контактов 32.
• Скорость ЦПУ 16 МГц.
• 512 б ОЗУ.
• 512 б энергонезависимой памяти.
• 22 программируемых линии ввода-вывода.
• Интегрированный аналоговый компаратор.
• Объем флеш-памяти 16 Кб.
• Размер EEPROM 512х8.
• Напряжение от 2,7В до 5,5В.
• Рабочие температуры от -40С до 85С.

Контроллер ATmega8u2 в своей прошивке уже имеет установленные USB COM драйвера, поэтому установка дополнительных не требуется.

Характеристики ATmega8u2:

• Диапазон напряжений от 2,7В до 5,5В.
• 32 вывода.
• Скорость ЦПУ 16 МГц.
• Объем флеш-памяти 8Кб.
• Поддержка встроенных интерфейсов I2C, SPI, UART, USART.
• Размер ядра 8 бит.
• Несколько режимов работы – холостой ход, энергосберегающий режим, режим ожидания, расширенный режим ожидания и выключение питания.
• Возможность внешнего и внутреннего прерывания.
• 22 программируемых линии ввода-вывода.
• 512 б энергонезависимой памяти.
• 512 б ОЗУ.
• Рабочие температуры от -40С до 85С.

Заключение и выводы

Микросхемы-контроллеры последовательного порта служат в качестве преобразователя  интерфейса USB. Наиболее популярными являются микросхемы CH340 (преобразователь USB в UART), аппаратные мосты от фирмы FTDI, к которым относятся микросхемы FT8U232, FT8U245, FT232R и FT245R (USB-UART и USB – FIFO) и ATmega8U2 и ATmega16U2.