USB-Seriell-Adapter: Treiber, Pegel und Fallstricke

Ein USB-Seriell-Adapter ist ein kleiner Konverter, der einen USB-Anschluss in einen RS-232-Seriellanschluss verwandelt, sodass ein Computer ohne seriellen Anschluss dennoch mit einer Router-Konsole, einer SPS, einem Etikettendrucker, einer Waage oder einem Laborgerät kommunizieren kann. Der Adapter enthält einen Konverterchip, und dieser Chip ist die ganze Geschichte: Er bestimmt, welchen Treiber der Computer benötigt, welche Signalpegel an den Pins anliegen und ob der Adapter nach dem nächsten Betriebssystem-Update weiterhin funktioniert. Wählen Sie den falschen, erhalten Sie nichts, verstümmelte Zeichen oder beschädigte Hardware am anderen Ende.

Was im Adapter steckt

Ein USB-RS-232-Adapter vereint drei Dinge in einem Gehäuse: eine USB-Schnittstelle, einen seriellen Controller-Chip und einen Pegelumsetzer, der echte RS-232-Spannungen erzeugt. Der Controller-Chip präsentiert sich dem Computer als virtueller COM-Anschluss. Das Betriebssystem lädt einen Treiber für diesen Chip, und der Treiber lässt den Anschluss für Terminalsoftware wie einen normalen seriellen Anschluss erscheinen.

Deshalb ist der Treiber wichtiger als das Kabel. Der Chip im Inneren bestimmt den Treiber, und der Treiber bestimmt, ob der Adapter unter Ihrem Betriebssystem funktioniert. Adapter mit gut unterstützten Chips lassen sich in der Regel vom Betriebssystem selbst oder über ein signiertes Treiberpaket installieren. Adapter mit unlizenzierten Kopien dieser Chips können vom Originaltreiber blockiert werden – der klassische Fehler: Der Adapter funktionierte jahrelang, dann erkannte ihn ein Treiber-Update nicht mehr.

Gefälschte Chips sind in diesem Markt ein echtes Problem. Ein Konverterchip, der nicht das Original ist, kann dieselbe Identität melden, sodass der Originaltreiber geladen wird, die Abweichung erkennt und das Gerät ablehnt. Zu den Symptomen gehören ein Anschluss, der erscheint und verschwindet, ein Gerät, das im Geräte-Manager einen Fehler anzeigt, oder ein Anschluss, der sich öffnet, aber nichts sendet. Die praktische Antwort ist, Adapter mit Chips zu kaufen, für die ein veröffentlichter, gepflegter Treiber existiert, und diesen Treiber-Installer bei dem Gerät aufzubewahren, das er bedient.

RS-232, TTL und der Unterschied, der Hardware beschädigt

RS-232 ist nicht dasselbe wie das serielle Signal auf einem Mikrocontroller-Board. RS-232 verwendet unsymmetrische Signale, bei denen eine Spannung zwischen +3 V und +15 V eine logische 0 (Space) und zwischen -3 V und -15 V eine logische 1 (Mark) ist. Ein TTL- oder CMOS-Seriellanschluss, wie er auf Mikrocontroller-Boards und vielen Embedded-Headern zu finden ist, verwendet stattdessen 3,3-V- oder 5-V-Logikpegel.

Ein direktes Verbinden der beiden kann die Niederspannungsseite beschädigen. Ein echter RS-232-Ausgang schwingt auf positive und negative Spannungen, für die ein 3,3-V-Eingang nicht ausgelegt ist. Wenn das Gerät TTL erwartet, verwenden Sie einen USB-TTL-Adapter oder einen Pegelumsetzer, keinen USB-RS-232-Adapter. Wenn das Gerät RS-232 erwartet, kann ein USB-TTL-Adapter es nicht ansteuern.

Der Standard erlaubt RS-232 bis zu 15 m (50 ft) bei 19.200 Baud; niedrigere Baudraten laufen weiter. RS-422 und RS-485 sind differenziell und laufen viel weiter, bis zu 1200 m (4000 ft) bei niedrigeren Geschwindigkeiten, weshalb industrielle Geräte oft diese verwenden.

Stecker und Pinbelegungen, die Ihnen begegnen werden

Die meisten USB-Seriell-Adapter enden in einem männlichen DE-9-Stecker, üblicherweise DB9 genannt. Die PC-(DTE-)Pinbelegung ist fest: Pin 1 DCD, Pin 2 RXD, Pin 3 TXD, Pin 4 DTR, Pin 5 Signalmasse, Pin 6 DSR, Pin 7 RTS, Pin 8 CTS, Pin 9 RI. Ältere Geräte verwenden möglicherweise einen DB25, bei dem die Pinbelegung anders ist: Pin 2 TXD, Pin 3 RXD, Pin 4 RTS, Pin 5 CTS, Pin 6 DSR, Pin 7 Signalmasse, Pin 8 DCD, Pin 20 DTR, Pin 22 RI. Die vollständige Referenz RS-232 serial pinouts: DB9 and DB25 listet beide auf, und es lohnt sich, vor dem Anfertigen eines Kabels nachzusehen.

DTE bedeutet Computer oder Terminal; DCE bedeutet Modem. Ein 1:1-Kabel verbindet DTE mit DCE. Zwei DTEs benötigen ein Nullmodemkabel, bei dem TXD und RXD gekreuzt werden, RTS und CTS gekreuzt werden, DTR auf DSR und DCD gekreuzt wird und Signalmasse direkt durchläuft. Ein Gender-Changer tauscht männlich und weiblich, ohne etwas zu kreuzen, verwandelt also kein 1:1-Kabel in ein Nullmodemkabel. Wenn zwei Computer oder zwei Terminalgeräte nicht kommunizieren, behandelt die Seite null modem cables and adapters die Verkabelung und die fertigen Adapter.

Treiber, Anschlüsse und das Betriebssystem

Ein USB-RS-232-Adapter erscheint unter Windows als COM-Anschluss und unter Linux und macOS als Gerät wie /dev/ttyUSB0 oder /dev/tty.usbserial. Die Anschlussnummer kann sich ändern, wenn der Adapter abgezogen und wieder eingesteckt oder an einen anderen USB-Anschluss gesteckt wird. Terminalsoftware, die einen festen COM-Anschluss speichert, kann den Anschluss dann nicht öffnen, was wie ein Adapterfehler aussieht, aber keiner ist.

Zwei Gewohnheiten verhindern das meiste davon. Erstens: Stecken Sie den Adapter jedes Mal in denselben USB-Anschluss, damit die Anschlussnummer stabil bleibt. Zweitens: Notieren Sie die Anschlussnummer in der Gerätedokumentation. Unter Linux kann eine Regel basierend auf der Seriennummer des Adapters den Gerätenamen festlegen; nicht jeder Adapter meldet eine Seriennummer, also prüfen Sie, bevor Sie sich darauf verlassen.

USB selbst ist hier nicht die Grenze. Selbst USB 1.1 Full Speed mit 12 Mbps ist weit schneller als jede gängige serielle Baudrate, und die USB-Seite des Adapters ist nicht das, was die Verbindung einschränkt. Die Seite USB 3.0, 3.1, 3.2 and USB4: speeds and names decoded erklärt die Geschwindigkeitsbezeichnungen, wenn Sie zwischen Adaptern und Hubs wählen, aber für serielle Arbeit reicht jeder funktionierende USB-Anschluss.

Alte Geräte wieder zum Sprechen bringen

Arbeiten Sie die Verbindung der Reihe nach ab und ändern Sie jeweils nur eine Sache.

1. Bestätigen Sie, dass der Adapter erkannt wird. Prüfen Sie den Geräte-Manager oder das Systemprotokoll auf ein serielles Gerät und notieren Sie den Anschlussnamen.
2. Bestätigen Sie, dass der Treiber zum Chip passt. Wenn der Adapter nicht erkannt wird, installieren Sie den Treiber für den Chip im Inneren, keinen generischen.
3. Bestätigen Sie den Kabeltyp. 1:1 für DTE zu DCE, Nullmodem für DTE zu DTE.
4. Bestätigen Sie die seriellen Einstellungen. Baudrate, Datenbits, Parität, Stoppbits und Flusskontrolle müssen an beiden Enden übereinstimmen. Flusskontrolle ist der übliche Übeltäter: Hardware-Flusskontrolle (RTS/CTS) bleibt hängen, wenn das Kabel diese Pins nicht führt.
5. Bestätigen Sie die Pegel. RS-232-Geräte benötigen einen RS-232-Adapter; TTL-Header benötigen einen TTL-Adapter.

Für Konsolenarbeit kehrt ein Rollover-Kabel alle acht Pins von Ende zu Ende um und wird mit einem RJ45-auf-DB9-Adapter an Cisco-artigen Konsolenanschlüssen verwendet. Viele neuere Geräte haben stattdessen einen USB-Konsolenanschluss, der überhaupt keinen Adapter benötigt.

Was schiefgeht

Ein Treiber-Update blockiert den Adapter. Gefälschte Chips werden vom Originaltreiber abgelehnt. Der Adapter ist nicht defekt; der Treiber akzeptiert ihn nicht mehr. Bewahren Sie einen funktionierenden Treiber-Installer auf oder ersetzen Sie den Adapter durch einen mit einem Chip, für den ein gepflegter Treiber existiert.

Ein USB-TTL-Adapter wird an RS-232-Geräten verwendet oder umgekehrt. Der erste Fall führt meist zu keiner Kommunikation; der zweite kann die Niederspannungsseite beschädigen. Passen Sie den Adapter an die Pegel an, die das Gerät erwartet.

Das falsche Kabel wird zwischen zwei DTEs verwendet. Ein 1:1-Kabel zwischen zwei Computern oder zwei Terminals funktioniert nicht. Ein Nullmodemkabel oder -adapter ist erforderlich.

Die Anschlussnummer ändert sich. Der Adapter ist in Ordnung, aber die Terminalsoftware sucht den alten Anschluss. Wählen Sie den Anschluss neu aus oder legen Sie den Gerätenamen fest.

Die Flusskontrolle ist falsch eingestellt. Bei ausgewählter Hardware-Flusskontrolle und ohne RTS/CTS-Verkabelung bleibt die Verbindung nach den ersten Zeichen stehen. Versuchen Sie keine Flusskontrolle oder Software-Flusskontrolle, um die Verbindung zu testen, und stellen Sie sie dann korrekt ein.

Ein Gender-Changer soll Signale kreuzen. Er tauscht nur männlich und weiblich. Er macht kein 1:1-Kabel zu einem Nullmodemkabel.

Der Adapter soll das Gerät mit Strom versorgen. Ein serieller Anschluss ist eine Datenverbindung, keine Stromversorgung. Geräte, die eigenen Strom benötigen, brauchen weiterhin eigenen Strom.

Lange Kabelstrecken werden mit hohen Baudraten versucht. RS-232 ist auf 15 m (50 ft) bei 19.200 Baud begrenzt, und weniger bei höheren Raten. Für lange Strecken verwenden Sie stattdessen RS-422 oder RS-485.

Eine USB-Verlängerung wird ohne Prüfung der Stromversorgung hinzugefügt. Ein unpowered Hub teilt die Stromversorgung des Host-Anschlusses unter seinen Geräten auf. Wenn der Adapter über einen Hub unzuverlässig ist, schließen Sie ihn direkt an oder verwenden Sie einen powered Hub.