В каких телефонах стоят usb uart. Конвертер usb-uart: перепрошивка адаптером

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

Ссылки

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

Все началось с того, что мне надо было подключиться к одному устройству по USART. Я сразу взял адаптер USB to UASRT (ибо в ноутбуке COM порт не предусмотрен) на AtTiny2313 (рекламой заниматься не буду, схема легко находится в интернете), подключил, запустил и внезапно понял, что у адаптера фиксированная скорость 9600, а у девайса, к которому требовалось подключиться, скорость 57600. Дело, естественно, было поздним вечером, и купить что-нибудь вроде FT232 возможности не было. Поэтому после непродолжительного раздумья, было решено изменить скорость UASRT в адаптере обычной перепрошивкой. В итоге соединение было успешно налажено. Но согласитесь - это ведь не выход, программатора может под рукой не оказаться, да и неудобно каждый раз с прошивкой шаманить. В следствие этого я серьезно задумался о создании нормального адаптера, с регулируемой скоростью (и не только).

Конечно, самый простой вариант – купить FT232, но сравнив ее стоимость со стоимостью Mega8, я пришел к выводу, что этот вариант мне не подходит. Поэтому было решено сделать адаптер на МК. А раз он на МК, то делать только USART как-то не рационально. Поэтому неплохо было бы в этот адаптер засунуть еще несколько интерфейсов, если уж делать, то что-то универсальное и полезное. Почти сразу в памяти всплыли “приятные” воспоминания об установке драйверов для адаптера на Tiny2313 (для Windows7 x64 это довольно мучительно). А это значит, что от устройства “виртуальный COM” придется отказаться, следовательно, надо будет написать программу для ПК, иначе работа с устройством будет невозможна. В общем, после обдумывания в течение некоторого времени, сформировалась окончательная идея девайса. Функционал получился вот таким:

адаптер USB->USART;
адаптер USB->SPI;
адаптер USB->I 2 C;
при этом устройство должно быть HID (Human Interface Device), чтобы не морочить голову с установкой драйверов.

Объектом издевательств стал МК Mega8, т.к. в TQFP корпусе он занимает совсем мало места (намного меньше, чем AtTiny2313) и обладает целыми 8 Кб. памяти. Сначала планировалось сделать все интерфейсы программными, но после разводки платы пришлось отказаться от аппаратного I 2 C, т.к. на односторонней плате вывести его никак не получалось (в будущем все-таки надо будет решить этот вопрос, может отдельно вывести сбоку платы). Поэтому его функциональность несколько ограничена, но USART и SPI остались полнофункциональными. Для связи с ПК была применена библиотека V-USB.

Схема устройства получилась вот такой:

Как видно, ничего сложного в ней нет. МК питается напряжением 5 В., согласование уровней для USB выполнено при помощи делителей напряжения резистор 68 Ом. + стабилитрон 3.3 В.. Тактовая частота МК – 12 МГц. Это минимальная частота для работы с шиной USB. Так же в схеме присутствуют три светодиода для индикации режимов работы. Один из светодиодов показывает, какой режим работы включен, а два других индицируют прием/передачу данных. Никаких кнопок и переключателей в устройстве не предусмотрено, и все настройки выполняются программно, прямо с ПК. Да, на все выводы, используемые для работы интерфейсов включены резисторы на 68 Ом. для защиты МК от КЗ. Как уже было отмечено выше, устройство представляется ПК как HID и не требует установки драйверов. VID и PID были выбраны из предоставляемых V-USB: VID - 0x16c0, PID - 0x05df. В противном случае пришлось бы отдать кругленькую сумму за покупку индивидуального идентификатора для USB устройства. Но т.к. проект Open Source и некоммерческий, совершенно свободно можно использовать идентификаторы, предложенные V-USB.

Плата получилась вот такая:

А в спаянном виде:

Это был тестовый образец да еще и разведенный с ошибками. Я почему-то посчитал, что вывод CE выводить не стоит. Ну ничего, все уже исправлено и к статье приложена правильная плата.

Итак, со схемой все понятно, он простая до предела и паяется за один вечер. Но, как было сказано выше, получившееся устройство определяется ПК как HID, т.е. ОС подбирает под него драйвер из своей базы. Проще говоря, Windows думает, что работает с устройством ввода. Это делает возможным работу на любом ПК без мороки с драйверами. Но с этим связана одна небольшая проблема, ни одна из существующих программ для обмена данными через USART работать с этим устройством не будет. А значит нужна какая-то специальная программа для работы с модулем, иначе он никакой ценности из себя не представляет. Поэтому я открыл свой любимый C++ Builder (нынче его обозвали CodeGear RAD Studio, что в прочем не меняет смысла), версия 2007, и написал вот такую программу:

Ничего особо сложного в ней нет, для каждого интерфейса присутствует некоторое количество настроек. Да, одновременно несколько интерфейсов работать не могут, только по одному. Работает все это дело очень просто, при подключении устройства к ПК в окне программы активизируются кнопки, нажатие на которые запускает соответствующий интерфейс. Потом достаточно написать данные в поле ввода в определенном формате и нажать кнопку "Send". Для каждого интерфейса свой формат данных. Сейчас рассмотрим их более подробно:

USART : (прием данных идет все время, пока активен режим, так сказать, на автомате)

отправка нескольких HEX чисел, просто пишем их через пробел в неограниченном количестве, например: 01 05 fa aa ...
отправка строки (текст, числа и т.п.). Тут уже в начале строки пишется идентификатор S (s), например: s www.сайт

для отправки данных устройству формат строки такой: Адрес (кому передавать и в какую ячейку памяти) А (а) и Данные D (d). Например: aa3 dfa;
для запроса данных с устройства: Адрес (от кого принимать и из какой ячейки памяти) и идентификатор чтения R (r). Например: aa3 r

для отправки данных устройству: Адрес устройства (бит чтения в 0) А (а) Адрес ячейки памяти M (m) Данные D (d). Например аа2 m03 d15
запрос данных выглядит вот так: Адрес устройства (бит чтения в 0) А (а) Адрес ячейки памяти M (m) Адрес устройства (бит чтения в 1) А (а) Идентификатор чтения с количеством ячеек памяти для чтения R (r). Например: aa2 m03 aa3 r1

Для SPI в режиме Slave никаких команд не предусмотрено, просто сидим и ждем, пока нам что-нибудь пришлют. Для работы с девайсом подключаем его к ПК, ждем некоторое время, пока ОС не сообщит, что драйвера успешно найдены и установлены, запускаем программу и начинаем обмен данными. Все предельно просто, ведь простота и была одним из критериев при создании устройства.

Да, кстати, программа совместима со всеми версиями Windows, начиная с Windows XP и заканчивая Windows 8, и не требует для работы различной экзотики, типа NetFramework и т.п. Как, впрочем, и сам модуль.

Вот, собственно, и все, программа, плата и исходники прилагаются.

Фьюзы выставляются для работы от внешнего кварца с высокой частотой. Выглядят вот так:

На картинке LOW фьюзы в 1, когда не отмечены, и в 0, когда отмечены. HIGH фьюзы наоборот. В шестнадцатеричном виде это выглядит вот так: HIGH: D9, LOW: FF.

Ну и конечно же видео, т.к. лучше один раз увидеть, чем... (USART работает в режиме эхотест (Rx и Tx соединены), а SPI и I 2 C тестируются с микросхемой PCA2129T, статья о ней )

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Мой блокнот
	МК AVR 8-бит	ATmega8	1		В блокнот
VD1, VD2	Стабилитрон	BZX55C3V3	2	3.3 Вольт	В блокнот
HL1-HL3	Светодиод		3		В блокнот
C1	Электролитический конденсатор	100 мкФ	1	Конденсатор танталовый	В блокнот
C2, C3	Конденсатор	0.1 мкФ	2		В блокнот
C4, C5	Конденсатор	22 пФ	2		В блокнот
R1	Резистор	1.5 кОм	1		В блокнот
R2	Резистор	10 кОм	1		В блокнот
R3, R4, R8-R13	Резистор

Для управления и настройкой некоторых конструкций на микроконтроллерах PIC и ATMEGA необходимо удобное их подключение к компьютеру или ноутбуку. В серии микроконтроллеров PIC16 (на которых я обычно и делаю свои самоделки) нет аппаратной реализации USB, но есть обычный последовательный порт UART, который является урезанной версией COM-порта старых компьютеров. Работа с ним не вызывает особых трудностей, а также необходимо не много ресурсов самого микроконтроллера, т.к. в отличии от USB в нем более простой протокол, который тем не менее позволяет так же передавать данные. В некоторых компьютерах все еще есть COM-порт, правда иногда он не выведен наружу - в таком случае для подключения необходимо только подключение преобразователя уровней (например, MAX232) , но на более новых материнских платах, а также ноутбуках его нет вовсе.

В таких случаях можно использовать UART-USB переходник на распространенной микросхеме CH340. На сайте Aliexpress ее обычно продают уже в виде готового модуля на плате, но иногда для постоянного использования удобнее заказывать ее отдельно.

В таком случае микросхему можно припаять прямо на свою плату, а там уже установить гнездо micro-USB для удобного подключения кабеля и более законченного вида конструкции.

Подключение микросхемы достаточно простое даже для начинающего радиолюбителя.

Для питания необходимо 3.3V (VCC), кварц на 12 МГц (Выводы XI и XO), остальные выводы используются для работы с COM-портом (для работы достаточно RX и TX, остальные для передачи сигналов готовности устройства и на практике используются редко).

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 .

Чем он отличается от других подобных устройств

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.

Где заказать?

Характеристики

Чип CP2102 от Silicon Labs
Скорость обмена данными по UART 300Бит/сек — 1Мбит/сек
Буфер чтения 576 байт, записи 640 байт
Поддержка USB 2.0 12Мбит/сек
Поддержка режима SUSPENDED USB
Встроенный стабилизатор питания 3.3В 100мА
EEPROM с конфигурационными параметрами 1024 байт
Поддерживаемые ОС Windows 8/7/Vista/Server 2003/XP/2000, Windows CE, Mac OS-X/OS-9, Linux, Android
Возможность настройки параметров платы и драйверов под свои проекты
Размеры платы 26.5 x 15.6 мм

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

По размеру плата мало отличается от других подобных конвертеров USB/UART

Плата FOCA 2.2 взята для коммерческих проектов с контроллерами Gboard /Iboard
Дешевый конвертер FT232 используемый до настоящего времени
Обозреваемый CP2102

Подключение и установка CP2102

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.

Изменение VID, PID и др. характеристик конвертера

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 утилиту для конфигурирования параметров EEPROM CP1202 (мне для запуска утилиты потребовалось еще скачать Java Runtime)

Теперь можно изменить следующие параметры:

Vendor ID (VID). Идентификатор производителя. Значение «по-умолчанию» 10С4 (шестнадцатеричный формат). В данном случае принадлежит компании SiLabs.
Product ID (PID). Идентификатор продукта. Значение «по-умолчанию» EA60 (шестнадцатеричный формат). В данном случае обозначает все мосты CP210x.
Max Power. Максимальный ток потребления, запрашиваемая мостом на шине USB. Значение «по-умолчанию» 32 (шестнадцатеричный формат). Максимальное значение 500мА
Power use attributes. Режим питания. Bus-powered (питание от шины USB) или Self-Powered (питание от внешнего источника).
Release Version. Номер выпуска. Значение «по-умолчанию» 1.0. Поля могут принимать значения 1-99 в целой и дробной части.
Serial Number. Серийный номер. Значение «по-умолчанию» составляет «0001» (текстовый формат). Поле может принимать любое текстовое значение длиной до 64 символов. Нужно для подсоединение к компьютеру нескольких устройств
Product string. Поле может принимать любое текстовое значение длиной до 126 символов. Данный идентификатор отображается в операционной системе при первичном подключении моста CP210x к компьютеру и помогает пользователю в выборе подходящего драйвера
Custom Data Lock. Защита конфигурационных данных.

Началось всё с того, что я купил себе Orange Pi, поддавшись рекламному слогану «аналог Rasberi Pi всего за 15$». Девайс был заказан на алиэкспрессе и прибыл через пятнадцать дней ещё в феврале. Тогда же были куплены все необходимые дополнительные компоненты: радиатор на процессор, 15 ваттный блок питания, карточка micro SD объемом 32 Гб, HDMI-кабель для подключения монитора. За неимением времени он пылился в ящике стола аж до июня. И вот наконец дошли руки проверить его работоспособность.

На стандартных прошивках, предлагаемых на официальном сайте работоспособность не вызвала нареканий. Но стандартные прошивки меня не устраивают по той причине, что уж так я устроен - любой попавший мне в руки девайс должен быть кастомизирован по полной программе. Поэтому в руки был взят U-boot , исходники которого скачаны с официального FTP , а так же сборка Arch Linux для ARM . В качестве опорного мануала и отправной точки для копания был взят вот этот мануал для Banana Pi .

Путем некоторых нехитрых манипуляций (описание которых более подходит для хабра) и загрузчик и арч были водружены на карту памяти и устройство было включено. Однако, после загрузки меня ждал черный экран и горящий зеленый светодиод на «апельсине».

Ну не беда, подумал я. На «апельсине» распаян UART, подключусь как я к нему терминалом да посмотрю что происходит. Были куплены необходимые детали и провод и спаян вот такой кабель (картинка под спойлером)

Нубский вариант кабеля

Тот кто в теме, сразу поймет в чем я был не прав, сделав такой кабель, и таких среди читающих больше половины. Я же заподозрил неладное после того как увидел кракозябры, которые плевал в терминал мой «апельсин». Именно понимание причины моей глупейшей ошибки и побудило меня к действиям, описанным ниже.

1. В чем разница между UART и RS232

Разница в уровнях. Последовательный интерфейс, реализованный в Orange Pi и других подобных устройствах, основан на TTL-логике, то есть нулевому биту соответствует нулевой уровень напряжения, а единице уровень в +5 В. RS232 использует более высокий уровень напряжения, до 15 В, и единице соответствует -15 В, а нулю +15 В. Для увеличения помехозащищенности канала как ноль воспринимается любой уровень напряжения ниже 3 В по модулю. Протокол передачи данных на уроне последовательности логических значений и у UART и у RS232 абсолютно одинаков. Всё это иллюстрируется следующей диаграммой передачи байта

Вот как я мог об этом забыть? В бытность своей работы в электровозостроительном НИИ эти вещи я знал. А тут почему-то глупость сморозил. В общем стало понятно, что нужен некий преобразователь уровней с инвертированием сигнала. Выбор пал в сторону подключения всего хозяйства к COM-порту, который есть на матплате моего домашнего компьютера. Хотя конечно можно было посмотреть в сторону UART <-> USB, ибо старинный последовательный интерфейс неуклонно теряет актуальность. Однако моя склонность к более простым решениям победила и в качестве кандидата на приобретение всплыл вот такой девайс

Продаваемый на том же «али» за 464 рубля. В принципе, такое можно было найти и в магазинах или на радиорынке в моем городе, но зуд сделать что-то руками уже был разбужен. Поэтому я отверг мысли о покупке платы сопряжения и решил попробовать сделать её самостоятельно.

Надо сказать, что с паяльником я вообще-то дружу. В школе и университете до покупки первого компьютера пайка всякой полезной и не очень ерунды была для меня главным увлечением. Но я жил в деревне, были девяностые годы. Денег особо не было, компоненты доставались путем разборки попавшего в поле зрения радиохлама. Источником информации были книги из районной библиотеки - «интернеты» тогда были далеко не у каждого. Богатого инструмента тоже не было. Фольгированный текстолит и хлорное железо были легендарным чудом. В общем было трудно.

После покупки компьютера вся увлеченность переключилось на него. А скил паяльщика мелких усилителей-приемничков положен на полку. Так что я «чайник». Поэтому ко многому из того, о чем я напишу ниже, прошу относится снисходительно. И эта статья, по большому счету для таких же «чайников» как и я.

2. Выбор схемы устройства и его компьютерное моделирование

Схему подобного девайса найти в сети раз плюнуть. Таких схем реально много. Выбор пал на такое решение

Сердцем всего устройства является микросхема типа MAX232 - преобразователь уровней, действующий по принципу "зарядового насоса ". Повышение напряжения с 5 в осуществляется за счет поочередной зарядки внешних конденсаторов C4 и C5. В моменты выдачи сигнала на RS232 эти конденсаторы соединены последовательно, и напряжение накопленное в них складывается. При обратной передаче микросхема работает как делитель. В обоих направлениях передачи сигнала происходит его инвертирование.

Диод VD1 играет роль «защиты от дурака» - запирает цепь питание при подаче напряжения неверной полярности.

Прежде чем приступать к изготовлению устройства я решил посмотреть, как всё это будет работать, поэтому начал с моделирования будущего устройства в среде Proteus. Для испытания схемы был собран виртуальный стенд

Первое что хотелось сделать - смоделировать всё, включая цепи питания, так как меня интересовало влияние диода на работу схемы. По умолчанию в Proteus пины питания на микросхемах скрыты и подтянуты к плюсу нужного уровня и земле. Чтобы их разблокировать, нужно, во-первых, отобразить скрытые пины. Для этого идем в меню Template -> Set Design Colors и ставим галку Show hidded pins

В котором ставим галки Draw body и Draw Name. После этого выделяем всю микросхему, включая текст, которым подписаны выводы и правой кнопкой меню выбираем Make Device. Нам будет предложено выбрать имя для нового устройства и сохранить его. Всё, после этого цепи питания будут включены в процесс симуляции явно.

Далее, передавать по UART будем нечто осмысленное, например букву «A» кодируемую в ASCII кодом 65 в десятиричной системе счисления или последовательностью 01000001b в двоичной. Кроме того, чтобы иницировать передачу необходимо послать стартовый бит с уровнем «0», а для завершения передачи послать один или два стоп-бита уровнем «1». Таким образом, временная диаграмма кадра, передаваемого по UART будет выглядеть так

Для формирования подобного сигнала используем источник именуемый Digital Pattern Generator (DPATTERN) с настройками вида

Ширина импульса в 104 микросекунды соответствует скорости 9600 бод. Форма сигнала задается строковым шаблоном где «L» означает низкий уровень, а «F» - высокий уровень. Соответственно наша строка будет выглядеть как «FLFLLLLLFLF». Контроль принимаемых в RS232 данных будем производить виртуальным терминалом, настроив его так

Не будем использовать бит четности, и будем использовать один стоп-бит. Кроме того, скажем что сигнал, подаваемый на терминал инвертирован, что соответствует протоколу RS232. Запустив моделирование схемы получаем осциллограмму сигналов и вывод в виртуальный терминал

По каналу A идет выходной сигнал, подаваемый в COM-порт. На канале B - входной TTL-сигнал. В терминал выводится заветная буква «A». Таким образом мы убеждаемся в том, что предлагаемая схема вполне работоспособна. В теории.

3. Подбор и покупка компонентов

Из ближайших к месту моего обитания магазинов, где можно разжиться радиодеталями есть два заслуживающих внимания: магазин «Радиодетали» на Буденовском проспекте (это город Ростов-на-Дону) и магазин «1000 радиодеталей» на проспекте Нагибина, напротив ТЦ «Рио». Последний выгодно отличается тем, что у него есть сайт , правда довольно древний, и видимо лениво обновляемый (и сделанный на Joomla...). Поползав по прайсу я подобрал список того, что мне нужно прикупить.

Сразу скажу, я тщательно избегал SMD-компонентов в виду своей неопытности. Поэтому я выбрал MAX232CPE в исполнении для монтажа в отверстия. Такие же взял и электролиты и диод. Однако по место оказалось, что в наличие только микросхема MAX232CWE - то же самое, только… SMD! Подумав с секунду я согласился с предложением продавца - надо же когда-то начинать… Конденсаторов на 15 В не нашлось, зато нашлись на 100 В той же емкости и тех же габаритов. Ну ладно, тоже ничего. Вместо разъема DB-9 типа «папа» мне предложили «маму». Таким образом получился следующий список

Хлорное железо, цапон лак и текстолит, разумеется не были использованы полностью. Кроме того, в этот список я не включил приобретенный инструмент: простенькую паяльную станцию (ибо до этого располагал только 40 ваттным паяльником с медным жалом), бокорезы и маленькие плоскогубцы, ножницы по металлу для резки текстолита, жидкий канифольно-спиртовый флюс ЛТИ-120 ну и так далее. В общем эта эпопея стоила мне порядка 3000 рублей.

В общем компоненты были куплены и принесены домой. 40-пиновые PLS-колодки были отпилены под нужное число контактов. Один из контактов вынут, с целью обеспечения однозначности соединения. Отверстие в гнездовой колодке, соответствующее вынутому пину заделано полиэтиленом.

4. Сборка устройства на макетной плате и проверка работы

В принципе, для такого простого девайса это и не обязательно. Но я же «чайник», поэтому прежде чем делать плату, решил все-таки проверить схему в реальной работе.

Сложнее всего пришлось с микросхемой. Чтобы впаять её на макетную плату пришлось извратится с подпайкой двенадцати ног к медным проводникам. Вышел паук-монстр о двенадцати ногах

В этот момент я понял две вещи: хорошо, что я все-таки купил паяльную станцию. А плохо то, что мне придется изрядно повозится с этой мелкотой. В общем компоненты были запаяны на «макетку», схема собрана с «апелисновой» платой. Питание +5 В взято с «апельсина» - 2-й контакт на двухрядной 40-пиновой штыревой колодке

Для коннекта с устройством использовался терминал putty, который есть и под Linux, и в отличие от minicom имеет цветной вывод и не требует дополнительной настройки на ввод символов в терминал с клавиатуры.

В общем, плата заработала - по экрану терминала побежали строчки лога загрузки: сначала от u-boot а потом и от ядра linux

Надо ли говорить как я обрадовался: во-первых схема работает правильно, а во-вторых - линукс на «апельсине» установлен верно, нормально работает в многопользовательском режиме

Неработающий HDMI-разъем и отсутствие Ethernet-интерфейса, таким образом связано с настройкой самого дистрибутива. Эти проблемы, разумеется будут решены и речь тут не о них. Поэтому перейдем к следующему пункту программы

5. Разводка печатной платы

Делал её в Altium Disigner. Разводку платы лучше делать после того, как куплены компоненты. Возможно, как и в моем случае, потребуется установка дополнительных библиотек компонентов для Altium. Размеры компонентов и топология посадочного места для каждого должны соответствовать фактически имеющимся деталям. Тут о меня не обошлось без досадной оплошности, но об этом ниже.

Скажу сразу - не пользуйтесь автоматической разводкой. Возможно это и настраивается, но авторазводка норовила протащить дорожку между ног у конденсаторов, что при расстоянии в 2 мм между ними делает дорожку шириной около четверти миллиметра, что для меня как для «чайника» было слишком круто. Да и интуиция подсказывала, что таких вещей желательно избегать. Поэтому я использовал ручную разводку (опираясь на результаты автоматической), задав в правилах разводки ширину дорог 0,5 мм (Design -> Rules -> Routing -> Width)

Кроме того, по умолчанию Altium полагает, что плата двухслойная. Чтобы заставить его разводить одностороннюю плату в правилах разводки следует указать разводку в одном слое, скажем в Top Layer

Схема была набрана в редакторе схем

При этом надо учитывать тот факт, что свободные неподпаянные входы микросхемы (ноги 8 и 10) следует подтянуть к земле, иначе Altium не скомпилирует схему для передачи её в редактор плат.

В итоге, путем самостоятельных ковыряний в программе и уроков Алексея Сабунина цель была достигнута и плата разведена

Все компоненты с монтажом в отверстия расположились с чистой стороны текстолита, а микросхема, в силу SMD-исполнения - со стороны дорожек. Для вывода разводки схемы на печать необходимо создать в проекте устройства так называемый Output Job File

Который настраивается следующим образом. В списке опций настройки выбираем Documentation Output и щелкаем на Add New Docimentation Outpu, выбирая в появившемся меню PCB Prints и проект платы, касающийся нашего устройства.

Переименовываем появившийся пункт документации, назовем его скажем LUT, по транслитерации технологии (ЛУТ), которую собираемся использовать для перевода рисунка платы на медь. Правой кнопкой мыши щелкаем по LUT и в контекстном меню выбираем Configure. В настройках слоев выводимых на печать оставляем только два пункта: Top Layer и Multi-layer и расставляем галки как показано на скрине

Галка Mirror нужна в частности для зеркального отображения рисунка на печати. Это важно, иначе при переводе рисунка на медь получится зеркальное отражение наших дорожек, а нам это не надо. Кроме того, следует заглянуть в Page Setup

Чтобы выбрать формат бумаги и обратить внимание на масштабный коэффициент (Scale). При первой печати он оказался равен 1,36 почему-то, а должен быть равен единице

Теперь жмем Print. У меня нет своего принтера, поэтому я распечатал в PDF используя Foxit Reader, а затем отнес полученный файл на флешке в ближайшую ко мне «шарашку», в которой распечатал рисунок на глянцевой фотобумаге. В итоге получилось вот это

Размер платы вышел 62 х 39 мм, по этому размеру ножницами по металлу вырезан кусочек текстолита. Раньше я пилил текстолит ножовкой и часто (а точнее всегда) это получалось ужасно. Ножницами же выходит ровненько, без мусора и повреждения токопроводящего слоя.

6. Изготовление печатной платы

Был выбран метод ЛУТ (лазерно-утюжная технология) из-за своей простоты и доступности. Руководством к действию послужила . Старался не нарушать технологию: прошелся по меди нулевкой, обезжирил, правда не ацетоном, ибо не нашел где купить, а универсальным обезжиривателем на основе уайт-спирита, купленным в Lerua Merlin. Тщательно и с усилием прогладил бутерброд из текстолита и рисунка уюгом на максимальной температуре. Или из-за того, что где-то ошибся, или потому что не дал остыть заготовке, или просто в «шарашке» экономят тонер на принтере, в общем вышло не очень

Однако, я благоразумно запасся перманентным маркером Edding 404, которым, не без помощи своей любимой жены (с прокачанным скилом подведения ресниц и рисования узоров на ногтях) обвел все дорожки

Далее был разведен раствор 6-ти водного хлорного железа из расчета около 180 грамм на 300 мл воды (воду набрал из-под крана, горячую) и плата была брошена на съедение в кювету для травления. Чтобы протравить плату и не отравить при этом жену, операцию производил на закате на балконе

«Хлоняк» не подвел, ходят ходят слухи что часто продают некачественный. Травление заняло 13 минут, последние островки меди уходили прямо на глазах. Главное не забывать периодически пинать плату пинцетом по кювете и следить за процессом. Как только лишняя медь исчезнет, достаем плату срочно и промываем обильным потоком воды.

После промывки, протирки и просушки настает момент истины. Надо снять защитное покрытие. Я пытался делать это уайт-спиритом,

Но дело шло туго. Потом жена предложила свою жидкость для снятия лака для ногтей - этот чудо-эликсир смыл покрытие мгновенно (я до сих пор в ужасе от того, какими реактивами пользуются наши женщины. Красота - страшная сила!)

Не подвел и маркер - все дорожки уцелели

После очистки защитного покрытия можно приступать к сверлению отверстий. И вот тут я совершил досадную ошибку - у меня не оказалось сверла на 0,5 мм, и вместо того чтобы отложить дело до завтра, купив нужное сверло, я поторопился и взял миллиметровое, посчитав что оно подойдет. В итоге я повредил многие контактные площадки, к счастью не сильно и не бесповоротно. Но все же никогда не спешите. Как говорил мой знакомый Марк из лаборатории кафедры мехатроники Мюнхенского университета, где я проходил преддипломную практику «Дмитрий, для каждой работы бери подходящий инструмент». И он был тысячу раз прав.

7. Лужение платы и пайка компонентов

Места пайки компонентов должны быть покрыты тонким блестящим слоем припоя. Это основное условие успешности работы. Я не стал лудить дорожки целиком. Во-первых, побоялся покоробить их, а во-вторых всё равно собирался покрывать плату цапон лаком. Так что я облудил лишь места пайки. Для этого кисточкой наносим на них канифольно-спиртовый флюс ЛТИ-120 и паяльником, разогретым до 250-300 градусов, с жала которого свисает крохотная капелька припоя, проводим по нужным точкам платы. За счет увеличения флюсом поверхностного натяжения припой растекается по точно контактным площадкам.

После этого была разобрана «макетка», проводки удалены с микросхемы и в первую очередь была припаяна она. Аккуратно руками или пинцетом помещаем микросхему на её место в соответствии с цоколевкой, так чтобы каждая ножка заняла свою площадку. Затем ряды ножек смазываем флюсом. Короткими и точными движениями касаемся всех ножек по очереди, не забывая набирать припой на жало паяльника (но не слишком много, достаточно маленькой капли). Если всё сделано верно, то ножки паяются к площадка очень быстро и точно, без «соплей» и перемыкания соседей. На запайку микросхемы у меня ушло меньше минуты, а я делаю это впервые. Вдохновило меня на этот подвиг такое видео , за что я очень благодарен его автору. Всё оказалось действительно не так страшно.

Похожим образом я разобрался и с остальными деталями. Главное тут аккуратно обрезать выводы деталей на нужную длину - я оставлял торчать над дорожкой не более миллиметра вывода, и правильно и аккуратно согнуть их, если требуется. Важно, крайне важно никуда не торопиться и делать всё вдумчиво. В итоге получилось то что получилось

От «соплей» уйти не удалось, но для первого раза вышло довольно сносно, хоть меня, вероятно и раскритикуют.

8. Проверка цепей и ещё одна досадная ошибка

После пайки смываем весь флюс спиртом, берем в руки мультиметр и звоним все цепи, с целью проверки их проводимости и соответствия принципиальной схеме. И вот тут бяка подкралась незаметно. Разъем COM-порта оказался распаяна зеркально! «Земля» сидела на первой ноге вместо пятой, Rx - на четвертой вместо второй. И я до сих пор не пойму как, ведь при разводке в Altium всё было верно. Это осталось для меня загадкой. Никакой загадки - просто имея по факту разъем «маму», при формировании схемы в Altium всё равно использовал «папу». Отсюда и зеркальная распайка, получившаяся в итоге. К счастью я решил эту проблему соответствующей распайкой кабеля, предназначенного для подключения девайса в COM-порту компьютера. Но из-за этой ошибки COM на плате оказался таким вот «проприетарным».

В остальном монтаж оказался верным и я, распаяв соединительные кабели и прибрав рабочее место, подключил новенькую плату к «апельсину» и компьютеру

По окну терминала снова побежали строки лога загрузки. Я был счастлив!

9. Наводим «красоту»

С целью защиты контактов от окисления и придания девайсу вида «промышленного» плата была окрашена зеленым цапон лаком. Все метки, нанесенные перед монтажем перманентным маркером были этим самым лаком смыты. Ну да ладно… Вот фото готового изделия вместе с комплектом кабелей

Теперь можно приступить к дальнейшей доводке ПО для «апельсина». Теперь я не буду слеп и нем, а смогу налаживать систему через последовательный терминал.

Заключение

Это было интересно. Интересно для меня, потому что впервые. Первое устройство спроектированное на компьютере и собранное на печатной плате своими руками. И если кто-то иронично усмехнется, то пусть вспомнит, что он тоже когда-то делал это впервые…

Спасибо всем за внимание, уделенное моей писанине!