跳轉至

USB-UART 轉接器

USB-UART 轉接器讓電腦或 Linux 主機能透過 USB 與 UART 裝置通訊。它將 USB 轉換為標準序列訊號線 TX、RX 與 GND。

這類轉接器常用於燒錄、查看日誌、診斷，以及修復沒有標準 USB 接口的開發板。

使用場景

USB-UART 轉接器適用於以下情況：

  • 燒錄某些微控制器開發板；
  • 讀取序列日誌；
  • 存取裝置控制台；
  • 燒錄器模式診斷；
  • 連接 Arduino Pro Mini 及部分 Nano 相容板；
  • 使用沒有內建 USB 的開發板；
  • 燒錄失敗後的救援；
  • 透過序列埠將 MCU 暫時連接至主機。

如果開發板本身已有標準 USB 並可被識別為序列裝置，則不需要額外的 USB-UART 轉接器。

接腳說明

常見接腳：

  • TX 或 TXO — 從轉接器傳送資料至裝置；
  • RX 或 RXI — 從裝置接收資料；
  • GND — 共地；
  • VCC、3V3 或 5V — 電源，視需求而定；
  • DTR — 常用於自動重置／燒錄；
  • RTS、CTS — 流量控制線，或用於開機／重置場景。

接線圖：

基於 CH340T 晶片的 USB-UART 轉接器

來源：Wikimedia Commons，SparkFun Electronics，CC BY 2.0

若僅需讀取日誌，通常只需連接 TX、RX 與 GND。只有在確認開發板應由轉接器供電時，才連接電源腳位。

TX 與 RX 的連接方式

連接時需交叉對接：

TX adapter -> RX device
RX adapter <- TX device
GND adapter -> GND device

若無法連線，首先檢查：TX 與 RX 是否接反、是否有共地、通訊速率是否一致，以及是否選擇了正確的 COM/tty 連接埠。

3.3V 與 5V

USB-UART 轉接器有以下幾種類型：

  • 僅支援 3.3V；
  • 僅支援 5V；
  • 附有 3.3V/5V 切換開關；
  • 以跳線或焊接跳線選擇電壓；
  • VCC 為某一電壓，但訊號線為另一電壓準位。

這點很重要：VCC 電壓準位與 TX/RX 訊號準位未必能從標示直接判斷。

ESP32、RP2040 與 STM32 通常使用 3.3V 邏輯。Arduino Uno/Nano 通常使用 5V 邏輯。若將 5V 訊號施加於 3.3V 輸入，可能損壞開發板。

連接前請查閱轉接器與開發板的說明文件，不要僅憑跳線顏色或外殼標示判斷。

TTL UART 與 RS-232

微控制器用的 USB-UART 轉接器通常輸出 TTL/CMOS UART 訊號：3.3V 或 5V。

這與真正的 RS-232 不同。

RS-232 電壓準位不同，無法直接連接微控制器的 GPIO。若需要與真實的 RS-232 連接埠通訊，需使用 USB-RS232 轉接器或準位轉換器，而非普通的 USB-UART TTL 轉接器。

轉接器供電

轉接器上的 VCC 腳位有其用途，但常被誤用。

安全做法：

  • 查看日誌或診斷時，先只連接 TX、RX、GND；
  • 若開發板已透過 USB、電源供應器或其他電路供電，請勿連接 VCC；
  • 不要透過 USB-UART 轉接器為馬達、伺服機、繼電器、加熱器及 LED 燈帶供電；
  • 確認轉接器實際能提供的最大電流；
  • 注意 VCC 可能是 3.3V 或 5V。

若在未充分了解電路的情況下同時連接兩組電源，可能導致反向供電、不穩定或損壞開發板。

DTR 與 RTS

部分開發板使用 DTR 與 RTS 進行自動重置或進入燒錄器模式。

範例：

  • Arduino Pro Mini 通常透過電容使用 DTR 進行燒錄時的重置；
  • ESP32 開發板可能使用 DTR/RTS 自動控制 EN 與 BOOT；
  • 若這些訊號線未連接，某些燒錄器場景需要手動按下按鈕。

若燒錄無法自動啟動，原因不一定是 TX/RX 問題，也可能是 DTR/RTS 未連接、選擇了錯誤的燒錄器，或需要手動按下 BOOT/RESET。

CH340、CP2102、FTDI

常見的 USB-UART 晶片：

  • CH340/CH341 — 廉價且普及的轉接器；
  • CP2102/CP210x — Silicon Labs 常見的 USB-UART 晶片；
  • FT232/FTDI — 經典選擇，通常較貴；
  • PL2303 — 常見於舊款轉接器與連接線。

在現代系統上，驅動程式通常會自動安裝，但並非總是如此。若連接埠未出現，請檢查：

  • USB 連接線是否為純充電線；
  • 系統是否已偵測到裝置；
  • 是否需要安裝驅動程式；
  • 舊版驅動程式是否有衝突；
  • 連接埠是否被其他程式佔用。

測試轉接器

簡易回環測試：

  1. 將轉接器連接至電腦。
  2. 將轉接器的 TX 連接至自身的 RX。
  3. 開啟序列終端機。
  4. 選擇連接埠與速率，例如 115200。
  5. 輸入字元。
  6. 若正常運作，輸入的字元會回顯。

此測試可在不連接外部開發板的情況下，驗證轉接器本身、驅動程式、連接線與終端機程式是否正常。

購買前的注意事項

購買 USB-UART 轉接器前，請確認：

  • TX/RX 電壓準位：3.3V、5V 或可切換；
  • 如何選擇電壓準位；
  • 使用何種晶片：CH340、CP2102、FTDI 或其他；
  • 您的系統是否有對應驅動程式；
  • 是否具備 DTR 與 RTS（若需要自動燒錄）；
  • USB 接口類型；
  • GND、TX、RX、VCC 接腳排列是否方便使用；
  • 是否有電路圖或完整說明文件；
  • VCC 最大可提供電流（若有需求）。

針對 ESP32/RP2040/STM32 診斷，使用標示清晰、支援 3.3V 訊號的轉接器更為方便。

常見錯誤

  • 將 TX 接 TX、RX 接 RX；
  • 忘記接共地 GND；
  • 對 3.3V 開發板選用 5V 電壓準位；
  • 在開發板已供電的情況下仍連接 VCC；
  • 透過 USB-UART 轉接器為負載供電；
  • 將 USB-UART TTL 與 USB-RS232 混淆；
  • 使用純充電 USB 連接線；
  • 未安裝 CH340/CP2102/FTDI 驅動程式；
  • 選擇錯誤的 COM/tty 連接埠；
  • 需要自動燒錄時未連接 DTR/RTS；
  • 序列終端機仍開著，卻不明白為何燒錄工具無法開啟連接埠。

重點摘要

USB-UART 轉接器是電腦 USB 與裝置 UART 腳位之間的橋樑。最基本的連接只需交叉對接的 TX/RX 與共地 GND。

主要風險：3.3V/5V 電壓準位錯誤、不必要的電源連接、將 TTL UART 與 RS-232 混淆，以及燒錄時缺少 DTR/RTS 訊號線。

參考資料