USB-UART-Adapter

Der USB gilt als weitverbreitete Universal-Schnittstelle im PC-Bereich. Allerdings müssen sich die USB-Geräte um die anwendungsbezogene Steuerung der Datenübertragung selber kümmern. Für die serielle Schnittstelle nach V.24, RS-232 und UART gibt es viele solcher Protokolle. Es macht also Sinn, auf der Endgeräte-Seite weiterhin die serielle Schnittstelle zu verwenden, wofür man am steuernden PC dann einen USB-UART-Adapter braucht.

Der USB-UART-Adapter hat die Aufgabe die Signale der UART-Schnittstelle in einer USB-Verbindung zu einem Computer zu übertragen. Dort werden die Signale von einer virtuellen UART-Schnittstelle bereitgestellt.
Außerdem muss der Adapter 3V3- und TTL-Signalpegel unterstützen und für das UART-Gerät eine entsprechende Stromversorgung bereitstellen.

USB-UART-Adapter gibt es einige, die im Prinzip gleich funktionieren. Es gibt jedoch einige Unterschiede zwischen den Adaptern.

Ein USB-UART-Adapter vom Typ PL-2303 arbeitet intern mit 3,3 Volt, ist aber an den RX/TX-Signalleitungen NUR 5-Volt-kompatibel. Dieser Adapter kann also nur mit einem 5-Volt-Mikrocontroller verwendet werden.

Dieser USB-UART-Adapter gibt es als Kabel sowohl für 3,3 Volt als auch 5 Volt. Diese Spannung bezieht sich aber NUR auf die Pegel der RX/TX-Signalleitungen. VCC ist immer 5 Volt. Neben RX und TX werden auch die beiden Handshake-Leitungen CTS und RTS herausgeführt.
Dieser Adapter kann also nur mit einem 5-Volt-Mikrocontroller verwendet werden.

Den USB-UART-Adapter CH340 gibt es in verschiedenen Varianten und von verschiedenen Herstellern. Das Original wird vom chinesischen Hersteller Nanjing Qinheng Microelectronics Co. Ltd. hergestellt.
Der CH340 beherrscht sowohl 3,3 Volt als auch 5,0 Volt.

Der USB-UART-Adapter CP2102 ist kein einfacher Adapter, sondern eine USB-zu-UART-Brücke und bietet eine komplette Plug-and-Play-Schnittstellenlösung, die einen USB-2.0-konformen Chip und lizenzfreie Treiber enthält.
Der CP2102 beherrscht sowohl 3,3 Volt als auch 5,0 Volt.

Am sinnvollsten sind USB-UART-Adapter, die sowohl 3,3 Volt als auch 5,0 Volt beherrschen. Das sind CH340 und CP2102.

In Bezug auf die Funktionalität sind CH340 und CP2102 weitgehend identisch und können beide als USB-UART-Adapter für das LoRa-Modul RAK3271S Breakout Board verwendet werden, um die serielle Kommunikation zwischen einem Computer und einem Mikrocontroller oder anderen elektronischen Geräten herzustellen.

Der Hauptunterschied zwischen dem CH340 und dem CP2102 besteht in der Funktionsweise des Chipsatzes. Der CH340 verwendet eine proprietäre Treiber-Software, während der CP2102 auf eine standardisierte USB-UART-Treibersoftware zurückgreift, die in vielen Betriebssystemen integriert ist. Das bedeutet, dass der CP2102 im Allgemeinen leichter zu installieren ist und weniger Kompatibilitätsprobleme aufweist als der CH340.

Bevor man die Pin-Leiste eines USB-UART-Adapters mit einem Gerät verbindet, sollte man den Adapter testen. Erst wenn man sicher ist, dass der Adapter funktioniert kann auch eine Kommunikation mit einem externen Gerät an der seriellen Schnittstelle funktionieren. Die Frage ist, wie macht man das?

Auf unserem Computer brauchen wir dafür ein Terminal-Programm, dass auf eine serielle Schnittstelle zugreifen kann. In diesem Programm sollte die betreffende Schnittstelle auswählbar sein. Wenn man sich nicht sicher ist, welche Bezeichnung die serielle Schnittstelle hat, dann muss man durch ein- und ausstecken des USB-UART-Adapters versuchen, den Namen herauszufinden. Eventuell muss das Programm mehrmals neu gestartet werden, damit das Programm neue Schnittstellen anzeigt.

Hinweis: Für den Test des USB-UART-Adapters sind die Einstellungen, wie Baud-Rate, Anzahl der Bits usw. irrelevant.

Ein Terminal-Programm dient dazu, Daten an die serielle Schnittstelle zu senden und gleichzeitig zu empfangen. Die Idee ist, dass die Schnittstelle sich selber etwas sendet. Dazu muss man auf der Pinleiste eine Brücke zwischen RX und TX mit einem Verbindungskabel oder Jumper setzen. Das bedeutet, der Sende-Pin wird auf den Empfangs-Pin geführt.
Wenn man jetzt im Terminal-Textfeld einen beliebigen Buchstaben eingibt, dann sollte der auch angezeigt werden. Es kann sein, dass der Buchstabe doppelt angezeigt wird. In diesem Fall ist vermutlich das lokale Echo (Local Echo) eingeschaltet. Wenn man das ausschalten kann, ist der Test aussagekräftiger.
Entfernt man die Brücke von TX und RX, dann sollte im Terminal bei einem Tastendruck kein Zeichen angezeigt werden. Erst wenn die Brücke wieder gesetzt ist, dann sollten die eingegeben Zeichen erscheinen.
Dann wissen wir, dass der USB-UART-Adapter grundsätzlich funktioniert und wir haben auch die richtige Schnittstelle ausgewählt. Wenn die Kommunikation mit dem externen Gerät nicht funktioniert, dann können wir den Adapter als Fehlerquelle fast ausschließen.