今天给大家拆解一个嵌入式开发中最基础也最常用的电路 ——USB 转 TTL 串口电路。在电脑几乎都没有原生串口的今天CH340E 这类 USB 转串口芯片成了我们调试单片机、烧录程序的 “神器”。下面就结合这张典型原理图用大白话把这个电路讲透。一、电路整体架构它是干什么的我们先从整体看一下这个电路的角色。它的核心任务就是一个 “翻译官”• 一边是电脑的USB-B 接口我们用 USB 线连接电脑它只会说 “USB 语言”。• 另一边是TTL 串口信号TXD/RXD这是单片机听得懂的语言。• 中间的CH340E 芯片就是负责把这两种语言双向互译的大脑。简单来说就是电脑USB ↔️ CH340E芯片 ↔️ 单片机TTL串口二、电路拆解每一部分都在干什么我们把电路拆成三部分来看USB 接口部分、CH340E 核心部分、TTL 信号输出部分。USB-B 接口U3数据和电力的入口这个方形的接口就是我们常说的 USB-B 母座很多打印机、开发板上都用它。它的引脚定义非常标准• 1 脚 VBUS这是 USB 的 5V 供电线给整个电路和后面的 CH340E 芯片供电。• 2 脚 D- 和 3 脚 D这是一对差分数据线负责传输 USB 信号是整个电路的数据通道。• 4/5/6 脚 GND都是接地脚把外壳和电源地连接起来能起到屏蔽干扰、防止静电的作用。设计要点提醒• D 和 D - 线必须严格对应接到 CH340E 的 VD 和 VD - 引脚接反了电脑是识别不到设备的。• VBUS 进来的 5V 电源一定要做滤波处理保证供电干净。CH340E 芯片U4整个电路的 “翻译官”这颗小小的芯片是整个电路的灵魂。很多人以为它只是个 “电平转换器”其实它是一颗完整的USB 协议处理器。• 当电脑插上它时它会模拟成一个标准的 USB 设备让电脑以为自己接上了一个串口设备。• 它把电脑发来的 USB 数据包解包后转换成单片机能识别的 TTL 电平串口信号TXD/RXD。• 反过来它也能把单片机发来的串口数据打包成 USB 信号发给电脑。我们看一下它的关键引脚• VD/VD-1/2 脚连接前面 USB 接口的 D/D - 差分信号。• VCC7 脚供电脚直接接 USB 的 5V。• V310 脚这是内部 3.3V 稳压输出脚原理图上给它加了一个 0.1uF 的电容C64到地用来滤波稳定电压这是官方手册推荐的标准做法。• TXD8 脚和 RXD9 脚这就是我们需要的 TTL 串口信号输出 / 输入脚直接连到单片机的 RXD 和 TXD。• RTS/CTS4/5 脚在这个简化电路里没有用到直接接地了。这两个是硬件流控信号在一些需要控制传输速率的场景才会用到。电源与信号输出部分稳定可靠的保障这部分是让电路稳定工作的关键细节• 电源滤波电容 C650.1uF直接并联在 VCC 和 GND 之间放在芯片旁边。它的作用是滤除电源线上的高频噪声防止电源波动影响芯片工作是所有数字芯片的 “标配”。• 信号限流电阻 R164/R165100Ω这两个 100Ω 的电阻串联在 TXD/RXD 信号线上有两个作用限制信号电流防止单片机 IO 口意外短路时烧坏 CH340E 芯片。改善信号完整性抑制信号反射让串口通信更稳定。• 输出信号 DCE_TXD_USB 和 DCE_RXD_USB这两个信号就是我们要接到单片机上的。• DCE_TXD_USB来自 CH340E 的 TXD → 接单片机的RXD接收端• DCE_RXD_USB去往 CH340E 的 RXD → 接单片机的TXD发送端这里一定要注意交叉连接不然数据是发不出去的。三、为什么这么设计—— 聊聊背后的考量很多新手画电路的时候只照着参考图抄却不知道为什么这么设计。这里给大家讲几个关键点为什么用 CH340E它是国产的 USB 转串口芯片价格便宜、兼容性好而且 Windows、Linux、Mac 都有成熟的驱动支持是嵌入式开发的 “国民芯片”。为什么 V3 脚要接电容CH340E 内部有一个 3.3V 的稳压器给内部的 USB 模块供电。V3 脚是这个稳压的输出端接个 0.1uF 的电容是为了滤除纹波保证内部 USB 模块工作稳定是官方数据手册的强制要求。为什么 TXD/RXD 要串电阻这是一个很实用的保护措施。开发板在调试时经常会出现插错线的情况串联 100Ω 电阻能有效限制电流避免烧坏芯片的 IO 口。四、常见问题排查指南画好板、焊好电路后如果电脑识别不到设备可以按下面的步骤排查检查供电用万用表测一下 CH340E 的 VCC 脚有没有 5V 电压V3 脚有没有 3.3V 电压。检查 D/D - 线看一下 USB 接口的 D/D - 有没有接反线有没有虚焊。检查驱动电脑设备管理器里有没有黄色感叹号如果有说明驱动没装好重装 CH340 驱动即可。检查交叉连接如果能识别到串口但收发数据都是乱码先确认波特率、数据位、停止位设置对不对再检查 TXD 和 RXD 有没有接反。五、写在最后这个电路虽然简单但却是我们嵌入式工程师每天都在用的基础电路。理解了它的原理以后遇到类似的接口电路你就能举一反三了。如果你在调试 CH340 时遇到过什么奇葩问题或者有什么设计上的疑问欢迎在评论区一起讨论。
【典型电路设计】接口设计 - TTL 转 USB-B 串口
今天给大家拆解一个嵌入式开发中最基础也最常用的电路 ——USB 转 TTL 串口电路。在电脑几乎都没有原生串口的今天CH340E 这类 USB 转串口芯片成了我们调试单片机、烧录程序的 “神器”。下面就结合这张典型原理图用大白话把这个电路讲透。一、电路整体架构它是干什么的我们先从整体看一下这个电路的角色。它的核心任务就是一个 “翻译官”• 一边是电脑的USB-B 接口我们用 USB 线连接电脑它只会说 “USB 语言”。• 另一边是TTL 串口信号TXD/RXD这是单片机听得懂的语言。• 中间的CH340E 芯片就是负责把这两种语言双向互译的大脑。简单来说就是电脑USB ↔️ CH340E芯片 ↔️ 单片机TTL串口二、电路拆解每一部分都在干什么我们把电路拆成三部分来看USB 接口部分、CH340E 核心部分、TTL 信号输出部分。USB-B 接口U3数据和电力的入口这个方形的接口就是我们常说的 USB-B 母座很多打印机、开发板上都用它。它的引脚定义非常标准• 1 脚 VBUS这是 USB 的 5V 供电线给整个电路和后面的 CH340E 芯片供电。• 2 脚 D- 和 3 脚 D这是一对差分数据线负责传输 USB 信号是整个电路的数据通道。• 4/5/6 脚 GND都是接地脚把外壳和电源地连接起来能起到屏蔽干扰、防止静电的作用。设计要点提醒• D 和 D - 线必须严格对应接到 CH340E 的 VD 和 VD - 引脚接反了电脑是识别不到设备的。• VBUS 进来的 5V 电源一定要做滤波处理保证供电干净。CH340E 芯片U4整个电路的 “翻译官”这颗小小的芯片是整个电路的灵魂。很多人以为它只是个 “电平转换器”其实它是一颗完整的USB 协议处理器。• 当电脑插上它时它会模拟成一个标准的 USB 设备让电脑以为自己接上了一个串口设备。• 它把电脑发来的 USB 数据包解包后转换成单片机能识别的 TTL 电平串口信号TXD/RXD。• 反过来它也能把单片机发来的串口数据打包成 USB 信号发给电脑。我们看一下它的关键引脚• VD/VD-1/2 脚连接前面 USB 接口的 D/D - 差分信号。• VCC7 脚供电脚直接接 USB 的 5V。• V310 脚这是内部 3.3V 稳压输出脚原理图上给它加了一个 0.1uF 的电容C64到地用来滤波稳定电压这是官方手册推荐的标准做法。• TXD8 脚和 RXD9 脚这就是我们需要的 TTL 串口信号输出 / 输入脚直接连到单片机的 RXD 和 TXD。• RTS/CTS4/5 脚在这个简化电路里没有用到直接接地了。这两个是硬件流控信号在一些需要控制传输速率的场景才会用到。电源与信号输出部分稳定可靠的保障这部分是让电路稳定工作的关键细节• 电源滤波电容 C650.1uF直接并联在 VCC 和 GND 之间放在芯片旁边。它的作用是滤除电源线上的高频噪声防止电源波动影响芯片工作是所有数字芯片的 “标配”。• 信号限流电阻 R164/R165100Ω这两个 100Ω 的电阻串联在 TXD/RXD 信号线上有两个作用限制信号电流防止单片机 IO 口意外短路时烧坏 CH340E 芯片。改善信号完整性抑制信号反射让串口通信更稳定。• 输出信号 DCE_TXD_USB 和 DCE_RXD_USB这两个信号就是我们要接到单片机上的。• DCE_TXD_USB来自 CH340E 的 TXD → 接单片机的RXD接收端• DCE_RXD_USB去往 CH340E 的 RXD → 接单片机的TXD发送端这里一定要注意交叉连接不然数据是发不出去的。三、为什么这么设计—— 聊聊背后的考量很多新手画电路的时候只照着参考图抄却不知道为什么这么设计。这里给大家讲几个关键点为什么用 CH340E它是国产的 USB 转串口芯片价格便宜、兼容性好而且 Windows、Linux、Mac 都有成熟的驱动支持是嵌入式开发的 “国民芯片”。为什么 V3 脚要接电容CH340E 内部有一个 3.3V 的稳压器给内部的 USB 模块供电。V3 脚是这个稳压的输出端接个 0.1uF 的电容是为了滤除纹波保证内部 USB 模块工作稳定是官方数据手册的强制要求。为什么 TXD/RXD 要串电阻这是一个很实用的保护措施。开发板在调试时经常会出现插错线的情况串联 100Ω 电阻能有效限制电流避免烧坏芯片的 IO 口。四、常见问题排查指南画好板、焊好电路后如果电脑识别不到设备可以按下面的步骤排查检查供电用万用表测一下 CH340E 的 VCC 脚有没有 5V 电压V3 脚有没有 3.3V 电压。检查 D/D - 线看一下 USB 接口的 D/D - 有没有接反线有没有虚焊。检查驱动电脑设备管理器里有没有黄色感叹号如果有说明驱动没装好重装 CH340 驱动即可。检查交叉连接如果能识别到串口但收发数据都是乱码先确认波特率、数据位、停止位设置对不对再检查 TXD 和 RXD 有没有接反。五、写在最后这个电路虽然简单但却是我们嵌入式工程师每天都在用的基础电路。理解了它的原理以后遇到类似的接口电路你就能举一反三了。如果你在调试 CH340 时遇到过什么奇葩问题或者有什么设计上的疑问欢迎在评论区一起讨论。
