CH340 模块的作用及其与 JTAG、串口下载和 TTL 电平的关系
CH340 模块的作用及其与 JTAG、串口下载和 TTL 电平的关系
引言
在嵌入式系统开发中，CH340 模块、JTAG 接口、串口下载和 TTL 电平是几个常见但容易混淆的概念。这些技术和标准在微控制器编程和调试中扮演着不同的角色，理解它们之间的关系和区别对于选择合适的开发工具和方法非常重要。
基本概念解析
CH340 模块
CH340 是一款由江苏沁恒微电子股份有限公司（WCH）设计的 USB 转串口（UART）芯片。它的主要功能是将计算机的 USB 接口转换为标准的串行通信接口（UART），使计算机能够通过 USB 端口与使用串行通信的设备进行通信。
CH340 模块通常是一个小型电路板，一端有 USB 接口（连接电脑），另一端引出 TX（发送）、RX（接收）、GND（地）、VCC（电源）等引脚，用于连接目标设备。
TTL 电平
TTL（Transistor-Transistor Logic，晶体管-晶体管逻辑）电平是一种数字信号电平标准：
- 逻辑"1"（高电平）：通常为 3.3V 或 5V
- 逻辑"0"（低电平）：通常接近 0V
这与其他电平标准不同，例如：
- RS-232 电平：标准串口电平，逻辑"1"为 -3V 至 -15V，逻辑"0"为 +3V 至 +15V
- RS-485 电平：差分信号，用于长距离传输
大多数微控制器（如 STM32、Arduino）的 GPIO 引脚使用 TTL 电平。
JTAG 接口
JTAG（Joint Test Action Group，联合测试行动小组）是一种用于测试和调试集成电路的标准接口，后来成为 IEEE 1149.1 国际标准。它提供对芯片内部的直接访问，可用于：
- 芯片内部电路的测试与验证
- 微控制器和处理器的调试
- 闪存编程（烧录程序）
- 边界扫描测试（检测电路板连接问题）
串口下载
串口下载是指通过串口（UART）将程序代码烧录到微控制器或其他嵌入式设备中的过程。这通常需要一个引导加载程序（Bootloader）在设备上运行，接收通过串口发送的数据，并将其写入闪存。
CH340 模块详解
功能与特点
CH340 模块的核心功能是协议转换 - 将 USB 协议转换为 UART 协议，反之亦然。主要特点包括：
- 协议转换：USB 与 UART 之间的双向转换
- 虚拟 COM 端口：在操作系统中模拟一个串行端口
- TTL 电平输出：通常支持 3.3V 或 5V TTL 电平
- 简单连接：只需少量外部组件即可工作
技术规格
- 支持波特率：最高支持约 2Mbps 的传输速率
- 供电电压：通常支持 3.3V 或 5V 供电
- 驱动支持：提供 Windows、MacOS、Linux 等多平台驱动
- 引脚：主要包括 TX、RX、GND、VCC、可能还有流控制引脚
- 尺寸：通常很小，适合嵌入在各种开发板中
常见应用
- Arduino 开发板上的 USB 通信（部分型号）
- ESP8266/ESP32 等 WiFi 模块的编程和调试
- 各类 USB 转 TTL 串口模块
- 低成本开发板的 USB 通信接口
CH340 与 TTL 电平的关系
CH340 模块与 TTL 电平是不同的概念，但它们之间有紧密关系：
- TTL 电平是一种信号电压标准，定义了数字"0"和"1"的电压范围
- CH340是一种硬件设备，其输出端（连接到微控制器的 TX/RX 引脚）使用 TTL 电平进行信号传输
CH340 模块的串口部分通常工作在 TTL 电平，这意味着它可以直接与使用 TTL 电平的设备（如大多数微控制器）通信，而无需额外的电平转换。
这与传统 RS-232 串口不同，RS-232 使用较高的电压范围（±3V 至 ±15V），如果要连接 RS-232 设备，需要额外的电平转换电路（如 MAX232 芯片）。
CH340 与串口下载的关系
CH340 模块在串口下载过程中扮演着关键角色，它是实现串口下载的硬件基础：
串口下载的基本流程
- 计算机生成二进制固件文件
- 下载软件通过虚拟 COM 端口发送数据
- CH340 将 USB 数据转换为串口信号（这是关键环节）
- 微控制器的引导加载程序接收串口数据
- 引导加载程序将数据写入闪存
CH340 在此过程中的作用
- 充当计算机与微控制器之间的"翻译"
- 将 USB 协议转换为微控制器可以理解的串口协议
- 提供正确的 TTL 电平信号（通常是 3.3V 或 5V）
实际连接示意
计算机 → [USB] → CH340 模块 → [TX/RX 引脚(TTL 电平)] → 微控制器
使用 CH340 进行串口下载的步骤
- 将 CH340 模块的 TX 连接到微控制器的 RX
- 将 CH340 模块的 RX 连接到微控制器的 TX
- 连接 GND（地线）
- 根据需要设置微控制器的启动模式（如 STM32 的 BOOT0 引脚）
- 使用下载软件通过虚拟 COM 端口发送固件
CH340 与 JTAG 的关系
CH340 与 JTAG 基本上没有直接关系，它们是两种完全不同的接口和协议：
关键区别
| 特性 | CH340 | JTAG |
|---|---|---|
| 类型 | USB 转串口芯片 | 调试和编程接口 |
| 主要功能 | 协议转换 | 调试、编程、测试 |
| 信号线数量 | 主要 2 根(TX/RX) | 至少 4-5 根 |
| 与电脑连接 | USB | USB(通过专用调试器) |
| 编程能力 | 仅支持串口下载 | 全面的编程能力 |
| 调试能力 | 无(仅能输出调试信息) | 全面(断点、单步等) |
| 常见应用 | Arduino、ESP8266 等 | STM32 等专业开发 |
| 成本 | 低(几元) | 中-高(几十至几百元) |
为什么会混淆它们
- 两者都可用于向微控制器下载程序
- 有些开发板上同时存在这两种接口
- 初学者可能不清楚自己使用的是哪种方式
实际使用中的区别
JTAG 需要专用的调试器（如 ST-Link、J-Link），而 CH340 只能用于串口通信，不能实现 JTAG 的调试功能。
计算机 → [USB] → CH340 → [UART] → 微控制器的串口引脚
计算机 → [USB] → JTAG 调试器 → [JTAG/SWD] → 微控制器的调试端口
实际应用中的混合使用
在实际开发中，这些技术经常一起使用，这可能是导致概念混淆的原因：
典型的开发板配置
- 一个 CH340 芯片用于 USB 转串口通信
- 一个专用调试接口（JTAG/SWD）用于程序下载和调试
- 微控制器支持通过串口引导加载程序或 JTAG/SWD 接口编程
不同场景下的选择
-
开发调试阶段：
- 使用 JTAG/SWD 接口进行编程和调试
- 使用 CH340 提供的串口进行日志输出和监控
-
生产编程阶段：
- 可能使用 CH340 提供的串口进行批量烧录
- 或使用专用的 JTAG/SWD 编程器进行高速烧录
-
最终产品：
- 可能完全移除 CH340（除非产品需要 USB 通信）
- 可能禁用 JTAG/SWD 接口以提高安全性
常见问题解答
问：我的开发板上有 CH340，是不是就不需要 JTAG 了？
答：这取决于您的需求。CH340 只提供串口通信，无法提供 JTAG 的调试功能。如果您需要高级调试功能（如设置断点、单步执行、查看内存和寄存器），仍然需要 JTAG/SWD 接口。
问：CH340 模块和 USB 转 TTL 模块是一样的吗？
答：大多数 USB 转 TTL 模块内部就使用 CH340 或类似芯片（如 CP2102、FT232）。CH340 是芯片型号，而 USB 转 TTL 是功能描述。
问：为什么有些开发板同时有 CH340 和专用调试接口？
答：CH340 主要用于常规串口通信（如打印调试信息、与电脑交换数据），而专用调试接口用于程序下载和高级调试功能。它们服务于不同目的。
问：TTL 电平和 CH340 有什么关系？
答：CH340 模块的输出端（连接到微控制器的 TX/RX 引脚）使用 TTL 电平进行信号传输。TTL 电平是信号的电压标准，而 CH340 是实现协议转换的芯片。
总结
- CH340 是一种 USB 转串口芯片，主要用于计算机与微控制器之间的串口通信。
- JTAG 是一种专用调试和编程接口，提供更强大的调试能力。
- TTL 电平 是一种信号电压标准，定义了数字"0"和"1"的电压范围。
- 串口下载 是一种通过串口协议向微控制器传输程序的方法，通常使用 CH340 等转换芯片。
- 它们各自服务于不同的目的，但在实际开发中经常结合使用。
理解这些概念的区别和联系，对于选择合适的开发工具和方法非常重要。根据您的具体需求（如调试复杂度、开发效率、成本等），可以选择合适的硬件和接口进行开发。