CH9102 — мост USB–UART WCH со встроенным генератором и питанием выводов 1,8–5 В

Выводы

Площадку под корпусом (вывод 0) WCH называет необязательным, но рекомендуемым подключением к земле; остальные выводы GND обязательны. GPIO и вспомогательные функции выводов переключает драйвер производителя.

Питание: VDD5, V3 и VIO

Внутри CH9102 — стабилизатор на 3,3 В: VDD5 — его вход, V3 — выход, от которого питаются ядро и приёмопередатчик USB, а VIO — отдельное питание выводов UART и RST (разд. 5.2). Отсюда два режима:

• Питание 5 В. VDD5 — к 5 В, например от VBUS; на V3 — только конденсатор около 0,1 мкФ. Допустимо 4,0–5,5 В.
• Питание 3,3 В. V3 соединяют с VDD5 и подают на них 3,0–3,6 В; конденсатор на V3 всё равно нужен.

Вывод VIO у CH9102F подключают к тому же источнику, что питает микроконтроллер, — тогда уровни UART совпадают с его уровнями при любом напряжении от 1,8 до 5 В. WCH приводит варианты: всё от USB (VIO от 5 В, от V3 при токе до 10 мА или от внешнего стабилизатора на 1,8–4 В), раздельное питание (CH9102 от USB, VIO от питания платы) и полностью собственное питание. Раздельный вариант WCH называет рекомендуемым: в режиме приостановки USB ток VIO — около 2 мкА, а при пропавших VDD5 и V3 вывод VIO не отдаёт ток обратно в них. У CH9102X VIO соединён с V3 внутри, и его UART работает только с уровнями 3,3 В.

Вывод VBUS следит за питанием USB: при его пропадании CH9102 отключает USB и засыпает. Если VBUS подключён через резистор и управляет ключом питания VIO, срабатывает защита: при VIO ниже примерно 1,4 В микросхема подгружает VBUS током около 300 мкА.

Электрические параметры

Условия — TA = 25 °C, VDD5 = 5 В или VDD5 = V3 = 3,3 В, VIO = 1,8–5 В (разд. 6.2 и 6.3).

Предельные режимы (разд. 6.1): VDD5 и VIO от −0,5 до 6,0 В, VBUS до 6,5 В, линии USB — до V3 + 0,5 В, выводы UART — до VIO + 0,5 В. Защита от электростатики выводов USB и ввода-вывода — от 5 кВ по модели тела человека.

Наш расчёт: ток встроенной подтяжки RXD при VIO = 3,3 В — 15–90 мкА, что соответствует резистору примерно от 37 до 220 кОм. Она держит единицу на отключённом входе, но если RXD идёт по длинному кабелю или к выходу с открытым коллектором, нужна внешняя подтяжка.

Скорость и точность

CH9102 поддерживает стандартные скорости от 50 бит/с до 4 Мбит/с, включая 921 600 бит/с, 1, 1,5, 2, 3 и 4 Мбит/с (разд. 5.3). WCH предупреждает: шина USB полной скорости — 12 Мбит/с с накладными расходами, поэтому непрерывного или полнодуплексного обмена на 3 Мбит/с и выше следует избегать, а на высоких скоростях включать аппаратное управление потоком — тогда CH9102 сам останавливает передачу по CTS и выставляет RTS по заполнению приёмного буфера.

Приёмник допускает отклонение скорости входящего сигнала до 2 %, передатчик ошибается меньше чем на 1,5 %. Наш расчёт для связи с микроконтроллером на RC-генераторе с погрешностью ±1 %: сигнал от него укладывается в допуск CH9102 с запасом, а в обратную сторону расхождение может дойти до 1,5 + 1 = 2,5 %. Для формата 8N1 приёмник ошибается, когда к середине стопового бита накопится сдвиг в полбита, то есть при расхождении около 0,5 / 9,5 ≈ 5 %. Наш вывод: 2,5 % укладываются в этот теоретический предел примерно с двукратным запасом. Проверить, насколько точно делится частота для выбранной скорости у микроконтроллера, можно в калькуляторе «Скорость UART».

RS-485, RS-232 и настройка

• RS-485. Вывод TNOW (единица во время передачи) подключают к DE и RE трансивера вроде MAX485, и направление переключается без участия программы (разд. 7.3). Трансивер питают от того же напряжения, что и VIO.
• RS-232. Для полноценного девятипроводного RS-232 на выводы UART и модема ставят преобразователь уровней; WCH называет MAX213, ADM213, SP213 и MAX211 (разд. 7.2).
• EEPROM. В CH9102F может быть встроенная EEPROM, где хранятся VID и PID, максимальный ток, номер версии и строки описания; признак — буква на четвёртой с конца позиции номера партии на корпусе (разд. 5.5). Записывают её утилитой производителя CH34xSerCfg после установки его драйвера.
• Сброс. После отпускания RST или включения питания микросхема выжидает около 15 мс, а при снижении V3 ниже 2,5–2,9 В или VIO ниже 0,8–1,15 В сбрасывается сама.

Расхождения в документации

• Порог между режимами питания. Табл. выводов (разд. 4) переключает режим на 3,6 В: ниже — V3 соединяют с VDD5, выше — ставят конденсатор. Разд. 5.2 говорит о питании 5 В как «больше 3,8 В», а табл. 6.2 нормирует режим с конденсатором на V3 только от 4,0 В. Наш вывод: напряжения от 3,6 до 4,0 В на VDD5 избегать.
• Диапазон VIO. Свойства и разд. 5.2 называют 1,8–5 В, табл. 6.2 — от 1,7 до 5,5 В.
• EEPROM. В английских свойствах встроенная EEPROM указана без оговорок, а разд. 5.5 говорит, что она есть только у CH9102F с буквой в номере партии; китайские свойства относят её к CH9102F.
• Вывод RTS. Китайская редакция добавляет к описанию RTS: если при включении к нему подключён резистор на землю, параметры из EEPROM не используются и действуют заводские. В английской редакции этой фразы нет.
• Опечатка. В английской табл. 6.2 строка VIL названа «Input high voltage»; в китайской — правильно, «низкий уровень на входе».
• Номер версии. PDF подписан «Version 1C», а страница загрузки WCH называет его версией 1.3 от 24.05.2022.