Введение

 LPT и COM порты уже большая редкость на современных стационарных компьютерах, а про ноутбуки то и говорить нечего. USB медленно, но верно вытеснила их, усложнив жизнь разработчикам и упростив пользователям. Эх, как приятно было когда-то подключить микроконтроллер к COM порту компьютера, используя всего лишь max232 и не заботясь о драйверах. Еще чуть-чуть и это будет возможно только на промышленных компах.

 Следуя общей тенденции, производители микросхем стали выпускать доступные микросхемы для работы с USB. Такие как USB-UART преобразователи или микроконтроллеры с поддержкой этой шины. К сожалению последние, несмотря на наличие библиотек, все еще сложны в освоении, поэтому неискушенному инженеру проще использовать первый вариант. И в этой статье мы рассмотрим две подобные микросхемы - FT232 и CP2103 и схемы преобразователей на их основе.

USB-UART преобразователь на FT232RL

   Микросхема FT232RL фирмы FTDI пользуется заслуженной популярностью в инженерных кругах. Она предоставляет пользователю возможность создания полноценного COM порта, имеет функцию управления отдельными выводами, драйвера, простую схему включения с минимальным количеством дополнительных элементов и приемлемый для пайки корпус. Также дополнительным плюсом этой микросхемы, является возможность программирования ее EEPROM памяти, в которой можно изменить некоторые параметры USB устройств. Из недостатков можно отметить ее высокую цену ~120-150 рублей, которая вполне сравнима с ценой на микроконтроллер atmega.
   Я сделал на FT232RL свой вариант USB-UART преобразователя. Все пользовательские выводы развел на PLS`ку по краям платы. Расстояние между PLS выбрал таким, чтобы можно было втыкать переходник в макетную плату. Выводы RXD и TXD, предназначенные для подключения UART`a микроконтроллера, развел на отдельную PLS для удобства подключения. Также на плату помесил 2 светодиода, для индикации процесса передачи/приема информации микросхемой FT232RL, и перемычки для выбора напряжения питания выводов. Оно может быть пяти или трех вольтовым. USB разъем взял в мини исполнении, USB-B слишком громоздкий. Плату развел в одном слое, с тремя перемычками.

Схема USB-UART переходника на FT232RL

Внешний вид полученного девайса

   Если ты соберешь этот USB-UART переходник, то не спеши сразу втыкать его в USB порт. Перед работой нужно убедиться в отсутствии замыканий между плюсом питания, землей и выводами D+, D-. Возьми тестер и прозвони их. Если замыканий нет, визуально проверь другие вывода и только после этого можешь подключать переходник. 

   При первом включении операционка попросит установить драйвера. Их можно скачать с официального сайта производителя - драйвер для FT232. Установка драйверов не представляет никакой сложности, поэтому говорить об этом не будем.
   Когда драйвер установится, в системе появится дополнительный COM порт. Это так называемый виртуальный COM порт, но его можно использовать точно так же как и обычный. Чтобы увидеть его порядковый номер, нужно залезть в диспетчер устройств, если у тебя винда. Заходишь в панель управления, выбираешь система > диспетчер устройств. В разделе "Порты (COM и LPT)" должен находиться наш переходник - "USB Serial Port (COM10)". У тебя может быть какой-нибудь другой номер порта.
   Чтобы убедиться в работоспособности переходника нужно открыть любую терминальную программу, выбрать соответствующий COM порт, замкнуть джампером выводы RXD и TXD и отправить через терминал любую последовательность символов. Если переходник функционирует, терминал примет ответ в виде эха, а на плате кратковременно вспыхнут светодиоды.
   Для подключения переходника к микроконтроллеру, нужно вывод RXD микроконтроллера соединить с выводом TXD переходника, а вывод TXD микроконтроллера с выводом RXD переходника. Также нужно соединить их земли.

USB UART переходник на CP2103

   Микросхема CP2103 фирмы Silicon Labs - это по сути аналог FT232. Имеет простую схему включения с минимальным количеством внешних компонентов, позволяет организовать полноценный COM порт со всеми его сигналами, имеет дополнительные пользовательские выводы и программу для их конфигурации, драйвера, маленькие габариты и более демократичную цену. Из недостатков стоит отметить мелкий и неудобный для запайки в домашних условиях корпус. Пожалуй, это главная причина непопулярности этой микросхемы в среде самодельщиков.
   Ради интереса я сделал USB UART преобразователь и на ее базе. Все пользовательские выводы развел на PLS`ки по краям платы. RXD и TXD вывел на отдельный разъем. Джампер для выбора напряжения питания выводов здесь не понадобился, так как это напряжение не может быть большее 3.6 В. USB разъем выбрал в мини исполнении, плату развел в одном слое с четырьмя перемычками на обратной стороне. Светодиоды для индикации передачи/приема данных не сделал, потому что микросхема CP2103 не имеет выделенных для этих целей выводов. Можно задействовать любые пользовательские выводы, но их нужно конфигурировать с помощью специального софта. Когда я это узнал, переходник уже был готов и переделывать его было лень, особенно после мучений с запайкой. Единственное, что я добавил из индикации - это светодиод по питанию.

Схема USB-UART преобразователя на CP2103

Внешний вид полученного девайса

   Я немного помучился с изготовлением этого переходника. Во первых между ножками CP2103 очень маленький зазор, нужно аккуратно делать плату. Во вторых ее сложно припаять. Если бы у меня не было фена, я бы за это вообще не взялся.
   Запаивал я ее следующим образом. Залудил плату сплавом Розе. Он плавится при 100 градусах, что позволяет избегать перегрева платы и микросхемы . Обильно смочил посадочное место микросхемы флюсом и положил ее туда. Используя увеличительное стекло и пинцет, кое-как сориентировал ее по посадочному месту. Далее стал нагревать микросхему феном с температурой ~150-200 градусов. Когда припой расплавился, микросхема стала шевелиться и за счет сил поверхностного натяжения заняла точное положение на посадочном месте. Получилось очень ровно, но переходник не заработал. Я повторно нагрел микросхему и слегка придавил и пошевелил пинцетом. После этого микросхема сконтактировала с дорожками платы.
   После сборки переходника нужно убедиться в отсутствии замыканий между плюсом питания, землей и выводами D+, D-, а затем между остальными выводами. Поскольку микросхема очень маленькая, между выводами легко может сесть сопля. После проверки выводов, USB UART переходник можно подключать к компьютеру.
   Как и с предыдущем переходником, при первом включении система предложит установить драйвера. Скачивай их с официального сайта производителя - драйвер для CP2103.
   Установленный переходник определяется в диспетчере устройств в разделе "Порты" как "Silicon Labs CP210X USB to UART Bridge (COM6)". У тебя может быть другой номер порта.
   Работоспособность проверяется аналогично, повторяться не буду.

Альтернативные варианты USB-UART адаптеров

   Альтернативные варианты адаптеров можно сделать на микросхемах FT230XS и CP2102. Это урезанные и соответственно более дешевые аналоги FT232 и CP2103. Обе микросхемы имеет меньшее число пользовательских выводов и не совпадают по распиновке.

Файлы

USB-UART-Bridge-FT232RL.rar - печатная плата для Eagle
USB-UART-Bridge-CP2103.rar - печатная плата для Eagle
datasheet FT232RL
datasheet CP2103

Ссылки

Софт для настройки FT232RL - FT Prog
Софт для настройки CP2103 - Customization Utility  Много весит!