1. 項(xiàng)目概述CH343 USB UART Board 是什么如果你經(jīng)常玩單片機(jī)、樹莓派或者各種嵌入式開發(fā)板肯定對(duì)“USB轉(zhuǎn)串口”這個(gè)功能不陌生。它就像一座橋梁把電腦上通用的USB接口翻譯成微控制器能聽懂的串口UART信號(hào)。市面上這類芯片和模塊很多從經(jīng)典的FT232、CP2102到國(guó)產(chǎn)的CH340系列大家或多或少都用過。今天要聊的CH343就是沁恒微電子在CH340系列基礎(chǔ)上推出的一款功能更強(qiáng)、速度更快的USB轉(zhuǎn)串口芯片。而“CH343 USB UART Board”通常就是指基于這顆芯片做成的核心功能板或者評(píng)估模塊。簡(jiǎn)單來說這就是一個(gè)“升級(jí)版”的USB轉(zhuǎn)TTL串口工具。它核心解決的是一個(gè)老生常談但至關(guān)重要的需求如何讓只有USB口的現(xiàn)代電腦與那些通常只有TX、RX、GND等串口引腳的老式設(shè)備、開發(fā)板進(jìn)行穩(wěn)定、高速的通信。無論是給Arduino燒錄程序還是調(diào)試ESP32的日志輸出亦或是與工業(yè)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換都離不開它。我手頭這塊板子通常設(shè)計(jì)得非常精簡(jiǎn)一個(gè)Type-C或Micro-USB接口用于連接電腦一排標(biāo)準(zhǔn)的2.54mm間距排針引出了串口信號(hào)TX, RX、電源VCC, GND以及一些可選的流控或狀態(tài)引腳。它的價(jià)值在于將CH343芯片的官方參考設(shè)計(jì)實(shí)體化讓你無需自己畫PCB、操心外圍電路和阻抗匹配開箱即用快速投入到你的主項(xiàng)目開發(fā)中。對(duì)于開發(fā)者、電子愛好者和學(xué)生而言這樣一塊板子能極大降低硬件調(diào)試的門檻把精力集中在核心邏輯上。2. 核心芯片CH343深度解析為何選擇它市面上的USB轉(zhuǎn)串口芯片選擇不少為什么CH343值得關(guān)注這得從它的技術(shù)特性和實(shí)際應(yīng)用痛點(diǎn)說起。2.1 性能與速率告別“慢吞吞”的傳輸CH343最顯著的提升之一是傳輸速率。它支持USB 2.0高速模式High-Speed理論傳輸速率可達(dá)480Mbps。當(dāng)然這是USB接口的速率落實(shí)到串口上其支持的波特率范圍非常寬。官方資料顯示它支持從50 bps到驚人的6 Mbps的串口波特率。相比之下許多常見的USB轉(zhuǎn)串口芯片如CH340G最高支持到2 Mbps而更早的PL2303在高速下的穩(wěn)定性常常被人詬病。這個(gè)6 Mbps的波特率意味著什么在需要高速數(shù)據(jù)交換的場(chǎng)景下比如通過串口傳輸大量的傳感器數(shù)據(jù)、進(jìn)行固件的高速下載特別是對(duì)于支持高速下載模式的MCU或者調(diào)試高帶寬的通信協(xié)議時(shí)更高的波特率能顯著減少等待時(shí)間提高整體效率。我實(shí)測(cè)在3Mbps甚至4.5Mbps的波特率下進(jìn)行持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸CH343的表現(xiàn)依然穩(wěn)定數(shù)據(jù)丟包和誤碼率極低這對(duì)于要求嚴(yán)苛的工業(yè)或通信應(yīng)用來說是一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。2.2 硬件流控與更多引腳讓通信更可靠除了基本的TX發(fā)送和RX接收一個(gè)完整的UART通信常常需要硬件流控引腳來避免數(shù)據(jù)丟失即RTS請(qǐng)求發(fā)送和CTS清除發(fā)送。CH343完整地支持這兩組硬件流控信號(hào)。當(dāng)你的設(shè)備比如一個(gè)忙不過來的單片機(jī)緩沖區(qū)快滿時(shí)可以通過拉低CTS通知CH343暫停發(fā)送反之亦然。這對(duì)于高速、大數(shù)據(jù)量傳輸至關(guān)重要軟件流控XON/XOFF在高速下基本無效。此外CH343還提供了豐富的輔助引腳。例如它可以通過引腳配置模擬出常用的RS-485自動(dòng)方向控制功能。在RS-485半雙工網(wǎng)絡(luò)中需要控制發(fā)送器使能DE和接收器使能/RE。CH343可以將RTS信號(hào)映射為DE控制信號(hào)在芯片準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)自動(dòng)拉高DE發(fā)送完成后拉低實(shí)現(xiàn)了“自動(dòng)收發(fā)切換”省去了用戶手動(dòng)控制方向的麻煩也避免了因切換延時(shí)導(dǎo)致的幀頭丟失問題。這個(gè)功能對(duì)于需要連接RS-485總線設(shè)備的用戶來說非常貼心。另一個(gè)實(shí)用的引腳是IND#指示燈輸出它可以編程控制常用于指示通信狀態(tài)比如數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)閃爍方便直觀調(diào)試。2.3 內(nèi)置晶振與簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)CH343芯片內(nèi)部集成了時(shí)鐘源這意味著在設(shè)計(jì)電路板時(shí)可以省去外部晶振以及相關(guān)的負(fù)載電容。這不僅降低了BOM成本和PCB面積更重要的是提高了系統(tǒng)的可靠性。外部晶振在惡劣環(huán)境震動(dòng)、溫度變化下可能失效而內(nèi)置晶振則無此擔(dān)憂。對(duì)于追求小型化、高可靠性的產(chǎn)品設(shè)計(jì)這是一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)。2.4 驅(qū)動(dòng)兼容性與易用性沁恒為CH343提供了完善的驅(qū)動(dòng)程序支持Windows、Linux和macOS。在Windows上安裝驅(qū)動(dòng)后設(shè)備管理器里會(huì)識(shí)別為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的COM口與使用其他串口芯片如FTDI、CP2102無異各種串口調(diào)試助手如Putty、SecureCRT、串口獵人都能直接使用。在Linux下它通常被識(shí)別為/dev/ttyUSBx或/dev/ttyCH343USBx無需額外驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自帶CDC-ACM驅(qū)動(dòng)即可支持開箱即用。macOS同樣有對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)支持。這種跨平臺(tái)的、免配置的兼容性使得CH343 Board可以無縫集成到任何開發(fā)環(huán)境中不會(huì)成為工作流的絆腳石。3. CH343 Board 硬件設(shè)計(jì)與使用要點(diǎn)拿到一塊CH343模塊我們不僅要會(huì)用最好還能懂點(diǎn)其背后的設(shè)計(jì)邏輯這樣在遇到問題時(shí)才能游刃有余。3.1 典型電路與核心外圍元件一塊標(biāo)準(zhǔn)的CH343 USB UART Board其核心電路其實(shí)非常簡(jiǎn)潔這得益于芯片的高度集成。以下是幾個(gè)關(guān)鍵部分USB接口與保護(hù)通常采用Type-C或Micro-USB座。為了保護(hù)芯片免受靜電ESD和電壓浪涌的損害必須在USB的D和D-數(shù)據(jù)線上串聯(lián)小阻值電阻如22歐姆并最好在數(shù)據(jù)線對(duì)地并聯(lián)ESD保護(hù)二極管如USBLC6-2。電源線VBUS上通常會(huì)放置一個(gè)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲PPTC和穩(wěn)壓二極管防止電源短路或過壓。電源處理USB的5VVBUS輸入后CH343內(nèi)部集成了LDO可以產(chǎn)生一個(gè)3.3V的VCC輸出。這個(gè)VCC既可以給芯片自身供電也可以通過板上的排針引出來給外部的目標(biāo)設(shè)備如單片機(jī)供電。這里有一個(gè)非常重要的注意事項(xiàng)這個(gè)3.3V輸出電流能力有限通常幾十到一百多毫安。如果你的目標(biāo)設(shè)備功耗較大務(wù)必使用外部獨(dú)立電源為其供電避免因電流不足導(dǎo)致CH343或目標(biāo)設(shè)備工作不穩(wěn)定。電平轉(zhuǎn)換與信號(hào)引出CH343的UART引腳輸出的是3.3V TTL電平。這對(duì)于當(dāng)今主流的3.3V單片機(jī)如STM32系列、ESP32、GD32等是完美兼容的可以直接連接。如果你需要連接5V TTL電平的設(shè)備絕對(duì)不能直接連接否則可能損壞CH343芯片。此時(shí)需要外加電平轉(zhuǎn)換電路例如使用一個(gè)簡(jiǎn)單的MOS管如BSS138搭建雙向電平轉(zhuǎn)換器或者使用專用的電平轉(zhuǎn)換芯片如TXS0108E。配置引腳CH343有一些用于配置工作模式的引腳例如MODEM0和MODEM1。在常見的評(píng)估板上這些引腳通常通過電阻上拉或下拉到固定電平配置為最常用的“USB轉(zhuǎn)串口GPIO流控”模式。除非你有特殊需求如配置為并口模式否則不需要改動(dòng)它們。3.2 連接與上電順序正確的連接是成功通信的第一步。一個(gè)推薦的連接順序是首先不要將USB線插入電腦。將CH343 Board的GND與目標(biāo)設(shè)備的GND用杜邦線連接起來。這是共地參考必須最先連接。連接TX和RX。切記CH343的TX應(yīng)連接目標(biāo)設(shè)備的RXCH343的RX應(yīng)連接目標(biāo)設(shè)備的TX。這是最容易接反的地方接反了自然無法通信。如果需要由CH343 Board向目標(biāo)設(shè)備供電則將VCC3.3V連接到目標(biāo)設(shè)備的電源輸入引腳。務(wù)必確認(rèn)目標(biāo)設(shè)備的工作電壓是3.3V。最后將USB線插入電腦。這個(gè)順序可以避免在連接過程中產(chǎn)生意外的電勢(shì)差導(dǎo)致引腳鎖存或損壞。雖然大多數(shù)時(shí)候不按順序也不會(huì)出事但養(yǎng)成好習(xí)慣能避免很多玄學(xué)問題。3.3 驅(qū)動(dòng)安裝與端口識(shí)別在Windows上首次插入CH343 Board后系統(tǒng)可能會(huì)自動(dòng)搜索安裝驅(qū)動(dòng)。如果未能成功需要手動(dòng)安裝。從沁恒官網(wǎng)下載最新的CH343/CH344驅(qū)動(dòng)程序包解壓后在設(shè)備管理器中找到帶黃色感嘆號(hào)的“USB2.0-Serial”設(shè)備右鍵更新驅(qū)動(dòng)選擇“瀏覽我的電腦以查找驅(qū)動(dòng)程序”指向解壓的文件夾即可。安裝成功后在“端口COM和LPT”下會(huì)看到“USB-SERIAL CH343 (COMx)”設(shè)備記住這個(gè)COMx編號(hào)它就是你在串口調(diào)試工具中需要選擇的端口號(hào)。在Linux下插入后使用ls /dev/ttyUSB*或dmesg | grep tty命令查看新出現(xiàn)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)。通常需要將當(dāng)前用戶添加到dialout組以獲得訪問權(quán)限sudo usermod -a -G dialout $USER然后注銷重新登錄。4. 高級(jí)應(yīng)用與實(shí)戰(zhàn)技巧掌握了基本用法我們可以看看CH343 Board在一些更復(fù)雜或特定場(chǎng)景下的應(yīng)用。4.1 實(shí)現(xiàn)RS-485自動(dòng)方向控制如前所述這是CH343的一個(gè)特色功能。假設(shè)你有一個(gè)支持RS-485的傳感器或PLC。你需要硬件連接CH343 Board的TX連接RS-485轉(zhuǎn)換器的DI數(shù)據(jù)輸入。CH343 Board的RX連接RS-485轉(zhuǎn)換器的RO數(shù)據(jù)輸出。CH343 Board的RTS引腳需在板子上找到對(duì)應(yīng)的排針連接RS-485轉(zhuǎn)換器的DE和/RE如果它們連在一起。RS-485轉(zhuǎn)換器的A、B線連接遠(yuǎn)端的RS-485設(shè)備。軟件配置在串口調(diào)試工具或你自己的程序中打開串口時(shí)需要啟用RTS流控制。當(dāng)CH343檢測(cè)到RTS流控啟用并且有數(shù)據(jù)要從TX發(fā)送時(shí)它會(huì)自動(dòng)將RTS引腳置為有效電平通常是高電平從而驅(qū)動(dòng)RS-485轉(zhuǎn)換器進(jìn)入發(fā)送模式。發(fā)送結(jié)束后RTS恢復(fù)無效轉(zhuǎn)換器回到接收模式。延時(shí)調(diào)整有些RS-485轉(zhuǎn)換器或設(shè)備對(duì)收發(fā)切換的延時(shí)敏感。CH343的驅(qū)動(dòng)或配置工具可能允許你微調(diào)RTS在數(shù)據(jù)發(fā)送前后的激活/釋放延時(shí)以確保數(shù)據(jù)幀的完整性。如果遇到最后一兩個(gè)字節(jié)丟失的情況可以嘗試調(diào)整這個(gè)延時(shí)參數(shù)。4.2 模擬I2C或SPI主設(shè)備雖然CH343本質(zhì)是UART橋但通過其強(qiáng)大的GPIO功能和靈活的位操作模式需要配置為并口模式理論上可以模擬出I2C或SPI的時(shí)序。不過這通常需要編寫特定的上位機(jī)軟件來精確控制GPIO引腳的高低電平變化實(shí)現(xiàn)起來比專用橋接芯片復(fù)雜性能也較低。對(duì)于偶爾的調(diào)試或讀寫一個(gè)I2C EEPROM可能可行但對(duì)于高速、持續(xù)的SPI通信則不推薦。更常見的做法是使用另一塊單片機(jī)作為“協(xié)議轉(zhuǎn)換器”一端用UART與CH343通信另一端用硬件I2C/SPI與目標(biāo)設(shè)備通信。4.3 固件高速下載與調(diào)試對(duì)于支持高速串口下載的微控制器如ESP32支持高達(dá)4Mbps的下載波特率使用CH343 Board可以大幅縮短固件燒錄時(shí)間。在PlatformIO或Arduino IDE中將上傳波特率設(shè)置為921600甚至更高配合CH343能體驗(yàn)到“秒傳”的快感。同樣在調(diào)試時(shí)將單片機(jī)的日志輸出波特率設(shè)高配合CH343和終端軟件可以實(shí)時(shí)捕獲大量調(diào)試信息而不會(huì)造成阻塞。注意使用高速波特率時(shí)務(wù)必確保你的串口調(diào)試終端軟件也設(shè)置了相同的波特率。同時(shí)過長(zhǎng)的USB線或質(zhì)量差的USB線可能會(huì)引入信號(hào)完整性問題導(dǎo)致高速通信失敗建議使用短線或帶屏蔽的優(yōu)質(zhì)USB線。4.4 多串口擴(kuò)展與虛擬串口一顆CH343對(duì)應(yīng)一個(gè)物理COM口。如果你需要多個(gè)獨(dú)立的串口可以使用多塊CH343 Board或者選擇沁恒推出的多通道芯片如CH344四串口。在軟件層面你可以同時(shí)打開多個(gè)串口調(diào)試助手窗口分別連接不同的CH343 Board實(shí)現(xiàn)同時(shí)與多個(gè)設(shè)備通信這在調(diào)試主從式網(wǎng)絡(luò)時(shí)非常有用。5. 常見問題排查與解決實(shí)錄即使硬件和驅(qū)動(dòng)都沒問題在實(shí)際使用中還是會(huì)遇到各種“坑”。下面是我和同事們總結(jié)的一些典型問題及解決方法。5.1 電腦識(shí)別不到設(shè)備或驅(qū)動(dòng)安裝失敗現(xiàn)象插入U(xiǎn)SB后電腦沒反應(yīng)或者提示“未知USB設(shè)備”。排查步驟換USB線和USB口這是最優(yōu)先的步驟。劣質(zhì)或損壞的USB線可能只接了電源沒接數(shù)據(jù)線。嘗試更換一根已知良好的USB線并插到電腦主板后置的USB口供電更穩(wěn)定。檢查板子供電測(cè)量板上VCC3.3V引腳是否有電壓。如果沒有可能是芯片未工作或USB口供電有問題。在設(shè)備管理器中查看即使有黃色感嘆號(hào)也說明設(shè)備被檢測(cè)到了只是驅(qū)動(dòng)問題。如果完全沒新設(shè)備出現(xiàn)則可能是硬件故障。驅(qū)動(dòng)沖突如果你之前安裝過其他版本或不同廠商的USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)可能會(huì)沖突。嘗試在設(shè)備管理器中徹底卸載所有類似設(shè)備及其驅(qū)動(dòng)重啟后再安裝CH343專用驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)兼容性以管理員身份運(yùn)行驅(qū)動(dòng)安裝程序并嘗試兼容模式對(duì)于舊版Windows。5.2 能識(shí)別到COM口但無法打開或收發(fā)數(shù)據(jù)現(xiàn)象串口工具可以選中COM口但點(diǎn)擊“打開”時(shí)提示“拒絕訪問”或“已被占用”或者打開后發(fā)送數(shù)據(jù)無反應(yīng)接收不到數(shù)據(jù)。排查步驟端口被占用這是最常見的原因。關(guān)閉所有可能占用該串口的軟件如IDE、其他串口助手、虛擬機(jī)軟件。在Windows命令行中可以使用netstat -ano | findstr “COMx”將COMx替換為你的端口號(hào)查看是哪個(gè)進(jìn)程占用了端口。波特率等參數(shù)不匹配這是第二常見的原因。確保串口調(diào)試工具設(shè)置的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位與目標(biāo)設(shè)備單片機(jī)的程序設(shè)置完全一致。哪怕只差一點(diǎn)接收到的也是亂碼。通常使用8-N-18位數(shù)據(jù)位無校驗(yàn)1位停止位配置。TX/RX接反再次檢查連線。CH343的TX接目標(biāo)RXCH343的RX接目標(biāo)TX。電平不匹配確認(rèn)目標(biāo)設(shè)備是3.3V電平。如果是5V系統(tǒng)必須使用電平轉(zhuǎn)換器。共地問題確保CH343 Board的GND與目標(biāo)設(shè)備的GND可靠連接。這是回路必不可少。5.3 高速通信時(shí)數(shù)據(jù)丟失或亂碼現(xiàn)象在波特率高于1Mbps時(shí)出現(xiàn)零星丟數(shù)據(jù)或大量亂碼。排查步驟降低波特率測(cè)試先降到115200或更低看通信是否正常。如果正常則問題出在高速鏈路。檢查USB連接使用短的、高質(zhì)量的USB線并直接連接到電腦的USB口避免使用USB Hub。檢查目標(biāo)設(shè)備能力并非所有單片機(jī)的UART都能穩(wěn)定工作在極高波特率。查閱其數(shù)據(jù)手冊(cè)確認(rèn)UART模塊支持的最高波特率。軟件緩沖區(qū)在上位機(jī)程序中確保讀取串口數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)足夠大并且讀取頻率足夠快避免因上位機(jī)處理不及時(shí)導(dǎo)致緩沖區(qū)溢出。啟用硬件流控如果雙方都支持務(wù)必啟用RTS/CTS硬件流控。這是解決高速通信數(shù)據(jù)丟失最有效的手段之一。5.4 給目標(biāo)設(shè)備供電時(shí)設(shè)備工作不穩(wěn)定現(xiàn)象當(dāng)使用CH343 Board的VCC3.3V引腳給外部單片機(jī)供電時(shí)單片機(jī)時(shí)而復(fù)位或程序運(yùn)行異常。原因與解決CH343芯片內(nèi)置LDO的輸出電流能力有限例如CH343P標(biāo)稱最大100mA左右。如果目標(biāo)設(shè)備在啟動(dòng)或運(yùn)行峰值功耗時(shí)超過這個(gè)限值會(huì)導(dǎo)致電壓被拉低造成復(fù)位。解決方案永遠(yuǎn)不要依賴CH343 Board作為主要電源。對(duì)于任何稍復(fù)雜的開發(fā)板都應(yīng)使用其自帶的電源接口如USB口、DC口獨(dú)立供電。CH343 Board的VCC引腳僅適用于給功耗極低如僅核心MCU未接外設(shè)的小模塊臨時(shí)供電測(cè)試。5.5 Linux下權(quán)限問題現(xiàn)象/dev/ttyCH343USB0文件存在但普通用戶無法打開提示“Permission denied”。解決永久解決方案是將用戶加入dialout組sudo usermod -a -G dialout $USER。執(zhí)行后需要注銷并重新登錄或者重啟電腦用戶組變更才會(huì)生效。臨時(shí)解決方案是使用sudo chmod 666 /dev/ttyCH343USB0但每次插拔后可能需要重新設(shè)置。6. 選型對(duì)比與項(xiàng)目中的定位面對(duì)CH340、FT232、CP2102、PL2303等眾多選擇CH343的定位在哪里特性/芯片CH343 (高速)CH340 (經(jīng)典)FT232 (標(biāo)桿)CP2102 (常見)PL2303 (老舊)USB速度高速 (480Mbps)全速 (12Mbps)高速/全速全速全速最高波特率6 Mbps2 Mbps3 Mbps/12 Mbps3 Mbps1.2 Mbps硬件流控支持 (RTS/CTS)部分型號(hào)支持支持部分型號(hào)支持部分支持內(nèi)置晶振是部分型號(hào)是否 (需外置)是否GPIO/特色功能豐富支持RS-485自動(dòng)方向較少豐富可編程較少少驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性良好良好優(yōu)秀良好一般 (Win10問題多)成本中等極低高低低適用場(chǎng)景高速數(shù)據(jù)、工業(yè)控制、可靠通信成本敏感型消費(fèi)電子、基礎(chǔ)下載調(diào)試專業(yè)、高可靠、多功能需求通用嵌入式、消費(fèi)電子老舊設(shè)備維護(hù)、非關(guān)鍵應(yīng)用總結(jié)來說追求極致性價(jià)比和基本功能CH340系列仍是王者。需要高速、高可靠、多功能如硬件流控、GPIOCH343是非常有競(jìng)爭(zhēng)力的國(guó)產(chǎn)選擇性能對(duì)標(biāo)FT232但成本更低。用于商業(yè)產(chǎn)品對(duì)驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性和全球兼容性有極高要求FTDI的芯片歷經(jīng)市場(chǎng)考驗(yàn)仍是很多企業(yè)的首選。CP2102是一個(gè)均衡的選擇在性能和成本之間取得了很好的平衡驅(qū)動(dòng)支持也不錯(cuò)。PL2303除非維護(hù)老項(xiàng)目否則在新設(shè)計(jì)中不推薦使用。在你的項(xiàng)目中如果通信速率超過1Mbps或者需要連接RS-485網(wǎng)絡(luò)又或者希望電路設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)潔省晶振那么CH343 USB UART Board是一個(gè)值得認(rèn)真考慮的得力工具。它不僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的“下載器”更是一個(gè)能夠應(yīng)對(duì)更復(fù)雜通信需求的可靠橋梁。