Arduino как uart usb переходник

Обновлено: 02.07.2024

Устройство представляет собой преобразователь USB-UART и позволяет микроконтроллерам взаимодействовать с компьютером. Для этого достаточно соединить выводы преобразователя TX и RX (уровень напряжения 5В) с соответствующими выводами Arduino Mini, Arduino Ethernet или другого микроконтроллера. Устройство построено на базе микроконтроллера ATmega8U2 (такой же используется в Arduino Uno), запрограммированного на работу в качестве USB-UART преобразователя. Прошивка ATmega8U2 взаимодействует со стандартными драйверами USB-COM, благодаря чему установка на компьютер дополнительных драйверов не требуется. Для корректной работы на Windows-системах требуется только .inf-файл.

Адаптер USB Serial содержит встроенный разъем mini-USB, а также разъем из 5 выводов: RX (для получения данных от компьютера), TX (для отправки данных), 5V, Ground (земля) и вывод Reset (для сброса микроконтроллера).

Светодиодные индикаторы показывают наличие питания, а также активность линий RX и TX.

Адаптер легко подключается к платам Arduino Ethernet, Mini, Mini Pro, LilyPad, LilyPad Simple и Fio.

Автоматический (программный) сброс

USB Serial адаптер спроектирован так, чтобы устройство, к которому он подсоединяется, можно было сбрасывать программно с подключенного компьютера. Внешний вывод RESET (отвечающий за сброс микроконтроллера) соединен с линией DTR виртуального COM-порта компьютера. Как правило, эта линия соединена с выводом RESET подключенного к адаптеру устройства через конденсатор номиналом 100 нФ. Такая схема позволяет автоматически сбрасывать микроконтроллер перед загрузкой в него новой программы.

Однако эта система может приводить и к другим последствиям. При подключении программируемого устройства к компьютерам, работающим на Mac OS X или Linux, его микроконтроллер будет сбрасываться при каждом соединении программного обеспечения с платой. Несмотря на то, что устройство запрограммировано игнорировать посторонние данные (т.е. все данные, не касающиеся процесса прошивки новой программы), оно может перехватить несколько первых байт данных из посылки, отправляемой плате сразу после установки соединения. Соответственно, если в программе, работающей на Ардуино, предусмотрено получение от компьютера каких-либо настроек или других данных при первом запуске, убедитесь, что программное обеспечение, с которым взаимодействует Ардуино, осуществляет отправку спустя секунду после установки соединения.

По расположению выводов разъем для программирования полностью совместим со стандартным разъемом FTDI (а также с адаптерами Adafruit и USB-UART преобразователями от Sparkfun).

Схема и исходный проект

Драйверы и настройка

Для корректной работы устройства на платформе Windows необходим специальный .inf-файл: Arduino_USBSerial.zip

Процесс установки на компьютер полностью аналогичен установке программного обеспечения Arduino UNO.

Подключение к Arduino Mini

Для подключения адаптера к Arduino Mini следуйте указаниям в руководстве по Arduino Mini.

Можно ли использовать Arduino Uno как мост USB-UART? Хочу восстановить брикнутый рутер.

Я тут читал что можно замкнуть Reset и GND пины. Этот вариант сработает?

elisey474: это будет постоянный сброс. это не даст микроконтроллеру стартануть

elisey474: не открылось. ну вообщем если замкнуть reset на землю и потом отпустить, то микроконтроллер перезагрузится. если же не отпускать, то он будет как бы висеть в воздухе и не инициализироваться. как будто его нет (т.е. микропрограмма не будет работать и вообще ничего не будет внутри у него работать)

elisey474: да, такой вариант тоже правильный, главное ресет с землёй соединить надежно, чтобы в процессе работы не отвалился.

Александр Волков: что-то не работает. Соединил RESET-GND, 3.3V - Vin на плате рутера, GND2 - GND на плате рутера, TX - RX рутера, RX - TX рутера. И в результате винда определяет все это, подключенного USB как Arduino Uno. Подключают к COM3(arduino uno) через патти и ничего!

elisey474: Гм. А почему вы к роутеру подключаете питание 3,3В? Это его родное питание? Если да, то вы напоролись на несогласованность уровней питания. Потому как у ардуино уно что питание, что сигналы - 5В.
И вопрос второй: питание роутера включали от его родного Блока питания? Потому как силы ардуино на питание всего роутера не хватит.

Александр Волков: отключил GND2-GND рутера, 3.3v-Vin роутера. И включил родное питание роутеру. Все по прежнему

elisey474: давайте. И напишите хоть модель роутера, чтобы было понятнее, куда копать.
Я бы на вашем месте дал бы роутеру родное питание и подключил к ардуине RxD, TxD, GND. В такой конфигурации должно работать, имхо.

Александр Волков: спасибо уже все сделал)) На хабре чего-то не так написали про мою модель роутера. Я подключался RX -TX, TX - RX. А нужно было RX RX , TX TX. Очень странно конечно, но главное что работает)), а работает, не трожь!

можно замкнуть ресет с землей. Я так восстанавливал MR3020 - все отлично работает

что-то не работает. Соединил RESET-GND, 3.3V - Vin на плате рутера, GND2 - GND на плате рутера, TX - RX рутера, RX - TX рутера. И в результате винда определяет все это, подключенного USB как Arduino Uno. Подключают к COM3(arduino uno) через патти и ничего!

Загрузчик (bootloader)

Загрузчик живёт в самом конце Flash памяти МК и позволяет записывать прошивку, отправляемую через UART. Загрузчик стартует при подаче питания на МК, ждёт некоторое время (вдруг кто-то начнёт слать код прошивки по UART), затем передаёт управление основной программе. И так происходит каждый каждый раз при старте МК.

Загрузчик позволяет прошивать МК через UART;
Загрузчик замедляет запуск МК, т.к. при каждом запуске ждёт некоторое время для потенциальной загрузки прошивки;
Загрузчик занимает место во Flash памяти. Стандартный старый для Arduino NANO занимает около 2 кБ, что весьма существенно!
Именно загрузчик мигает светодиодом на 13 пине при включении, как индикация работы.

Программатор

Помимо записи прошивки во flash память, программатор позволяет:

Считывать содержимое Flash памяти (скачать прошивку на компьютер)
Полностью очищать чип от всех данных и настроек
Записывать и читать загрузчик
Считывать/записывать EEPROM память
Читать и настраивать фьюзы (fuses, fuse-bits) и лок биты.

USB-TTL (UART)

USB-TTL	Arduino
DTR	DTR
RX	TX
TX	RX
GND	GND
VCC/5V/3.3V	VCC

Фьюзы (Pro)

Фьюзы (фьюз-биты) являются низкоуровневыми настройками микроконтроллера, которые хранятся в специальном месте в памяти и могут быть изменены только при помощи ISP программатора. Это такие настройки как выбор источника тактирования, размер области памяти под загрузчик, настройка отсечки по напряжению и прочее. Фьюз-биты собраны по 8 штук в байты (т.н. байты конфигурации), как типичный регистр микроконтроллера AVR. Таких байтов может быть несколько, они называются low fuses, high fuses, extended fuses. Для конфигурации байтов рекомендуется использовать калькулятор фьюзов (например, вот такой), в котором просто ставятся галочки на нужных битах, и на выходе получается готовый байт в hex виде. Рассмотрим на примере ATmega328p:

Лок-биты (Pro)

Лок-биты (lock-bits) позволяют управлять доступом к памяти микроконтроллера, что обычно используется для защиты устройства от копирования. Лок-биты собраны опять же в конфигурационный лок-байт, который содержит: BOOTLOCK01, BOOTLOCK02, BOOTLOCK11, BOOTLOCK12, LOCKBIT1, LOCKBIT2 (для ATmega328). Калькулятор лок-битов можно использовать этот. BOOTLOCK биты позволяют запретить самому МК запись (самопрограммирование) во flash память (область программы и область загрузчика)

А вот локбиты LOCKBIT позволяют запретить запись и чтение flash и EEPROM памяти извне, при помощи программатора, т.е. полностью защитить прошивку от скачивания и копирования:

Таким образом включив LOCKBIT1 (лок-байт будет 0x3E) мы запретим внешнюю запись во Flash и EEPROM память, т.е. при помощи ISP программатора, а включив LOCKBIT1 и LOCKBIT2 (лок-байт: 0x3C) полностью заблокируем заодно и чтение данных из памяти микроконтроллера. Повторюсь, всё описанное выше относится к ATmega328p, для других моделей МК читайте в соответствующих даташитах.

ISP программатор

USBasp

Решение проблем

Решение большинства проблем с загрузкой через программатор (независимо от того, что написано в логе ошибки):

Вытащить и обратно вставить usbasp в usb порт
Вставить в другой usb порт
Переустановить драйвер на usbasp
Проверить качество соединения USBasp с МК
Перепаять переходник и отмыть флюс

Для прошивки микроконтроллера, тактирующегося низкой частотой (менее 1 МГц внутренний клок):

Основные ошибки в логе Arduino IDE

Arduino as ISP

Почти любая другая плата Arduino может стать ISP программатором, для этого нужно просто загрузить в неё скетч ArduinoISP:

Открыть скетч Файл > Примеры > 11. ArduinoISP > ArduinoISP
Всё! Ваша Arduino теперь стала ISP программатором
Подключаем к ней другую Arduino или голый чип по схеме ниже
Выбираем Arduino as ISP в Инструменты > Программатор
И можем писать загрузчики, фьюзы или загружать прошивку напрямую во Flash

Решение проблем

Для прошивки микроконтроллера, тактирующегося низкой частотой (менее 1 МГц внутренний клок):

Arduino ISP: нужно изменить частоту загрузки прошивки в скетче Arduino ISP и снова прошить его в ардуино-программатор (см. строку в скетче 45 и ниже);

Работа в Arduino IDE

Прошивка загрузчика

Как убрать загрузчик?

Загрузка скетча

В Arduino IDE можно зашить скетч через программатор, для этого надо нажать Скетч > Загрузить через программатор. Это очень удобно в том случае, когда МК используется без загрузчика, или просто голый МК.

Фьюзы

Конфигуратор платы в Arduino IDE устроен следующим образом: каждой плате в Инструменты > Плата соответствует свой набор настроек, включая фьюзы, которые прошиваются вместе с загрузчиком . Некоторые из них:

Загрузчик (путь к файлу)
Скорость загрузки (через загрузчик)
Объем доступной flash и sram памяти
Весь набор фьюзов и лок-биты

Файл конфигурации называется boards.txt и найти его можно в папке с ядром Arduino: C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\arduino\avr\boards.txt. Документацию на boards.txt можно почитать здесь. При желании можно вывести нужные фьюзы через калькулятор (читайте выше), изменить их в boards.txt (главное не запутаться, для какой выбранной конфигурации платы делается изменение) и прошить в МК, нажав Инструменты > Записать загрузчик.

Такая работа с фьюзами максимально неудобна, но есть и другие варианты:

Ядро GyverCore для atmega328, в нем мы сделали кучу готовых настроек фьюзов прямо в настройках платы, читайте в уроке про GyverCore. Несколько загрузчиков, включая вариант без загрузчика, выбор источника тактирования и другие настройки в один клик мышкой.
Программа AVRdudeprog, про нее поговорим ниже

Avrdudeprog

Чтение/запись/очистка flash памяти
Чтение/запись/очистка eeprom памяти
Полная очистка чипа
Калькулятор фьюзов и локбитов (чтение/запись)

Более подробный обзор на avrdudeprog можно посмотреть здесь . Давайте посмотрим на калькулятор фьюзов. Выбираем свой микроконтроллер и программатор (можно добавить другие модели микроконтроллеров и программаторов, читай тут). Переходим во вкладку Fuses, нажимаем прочитать. При успешном чтении увидим текущий набор настроек своего чипа. Можно их поменять и загрузить. Важно! Галку инверсные биты не трогаем! Лок-биты и отключение RST заблокирует микроконтроллер, не трогайте их, если такой цели нет! Можно загружать прошивку или загрузчик из .hex файла, указав путь к ней на первой вкладке в окне Flash. Очень удобная утилита для низкоуровневой работы с МК.

Видео

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.

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

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).

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.

USB драйвер для ардуино

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

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:

2 – TXD сигнал UART.

3 – RXD сигнал UART.

4 – напряжение питания.

7 – XI вход для кварцевого резонатора и конденсатора.

8 – XO выход для кварцевого резонатора и конденсатора.

12 – DCD сигнал UART.

13 – DTR сигнал UART.

14 – RTS сигнал UART.

15 – Включение инверсии входа RXD.

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

Чип FTDI для Arduino

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:

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.

Читайте также: