USB-TTL変換モジュール：CH340とCP2102の使い方

USB-TTL変換モジュールは、パソコンのUSBポートを、マイコンが使うシリアル通信（UART）に変換する小さなボードです。Arduino Pro Mini、ESP-01、ESP32-CAMなど、USB端子のないボードにコードを書き込むとき、モジュールが出力するシリアルメッセージを読むとき、GPSやBluetoothモジュールをパソコンから直接設定するときに使います。実は、Arduino UnoとNanoにはどれもこの回路が搭載されています。変換モジュールは、その回路を独立した持ち運べるモジュールにしたものです。

このガイドでは、変換モジュールのピン、最もよくある間違いであるTX-RXの配線、ロジックレベルを3.3 Vか5 Vに切り替えるジャンパー、Windows・macOS・Linuxでのドライバのインストールを学びます。その後、DTRピンを使ってボタンを押さずにArduino Pro Miniへ書き込む方法、ESP-01とESP32-CAMへのコードの書き込み、変換モジュールを2つ目のシリアルモニタとして使う方法、広く使われる3種類のチップ、CH340・CP2102・FT232の違いを紹介します。

USB-TTL変換モジュールとは？何に使う？

パソコンとマイコンでは、通信の仕組みが異なります。USBは、パケット、アドレス、ドライバを使う複雑なプロトコルです。一方、マイコンのUARTが使う信号線は2本だけです。一方がデータを送信し（TX）、もう一方が受信します（RX）。各バイトは、あらかじめ決めた速度（ボー）で順番に送られるビットからなります。変換モジュールのチップは、パソコン上では仮想シリアルポートとして表示されます（WindowsではCOM3、macOSでは/dev/cu.usbserial...、Linuxでは/dev/ttyUSB0）。そのポートに書き込んだ各バイトはTXピンからUART信号として出力され、RXピンに届いた各バイトはパソコンに渡されます。名前に含まれるTTLは、信号が0 Vと5 V、または0 Vと3.3 Vの間で変化することを意味します。

• USBのないボードへの書き込み：Arduino Pro Mini、LilyPad、ESP-01、ESP32-CAM、ブートローダーを書き込んだ単体のATmega328Pチップなどに使います。
• シリアルログの読み取り：ボード自身のUSBが別の用途で使われている間、別のウィンドウでデバッグメッセージを確認します。
• モジュールとの直接通信：ESP-01へのATコマンドの送信、GPSモジュールのNMEAセンテンスの読み取り、Bluetoothモジュールの名前の変更などを行います。
• 故障したボードの救済：USBチップが壊れたUnoやNanoに、D0とD1ピンを通じて書き込みます。
• ほかの機器のコンソールへの接続：ルーター、3Dプリンターのボード、シングルボードコンピューターのシリアルコンソール用ピンに接続します。

USB-TTL変換モジュールのピン：GND、VCC、TXD、RXD、DTR、RTS

TX-RXのクロス接続

最もよくある間違いは、TX同士を接続することです。ルールは簡単です。一方の機器が話す線を、もう一方の機器が聞く線につなぎます。つまり、変換モジュールのTXDを接続先ボードのRXに、RXDを接続先のTXに接続します。混乱を避けるため、ラベルに方向を含めているボードもあります。Arduino Pro MiniにはRXI（RX入力）とTXO（TX出力）と表示されており、SparkFun形式のFTDIボードは、2枚をそのまま差し合わせると正しくクロス接続されるようにラベルが付いています。ラベルが信用できない場合は、TXとRXを一度入れ替えて試してください。TXとRXを逆にしても壊れることはなく、通信できないだけです。

3.3 V / 5 Vジャンパー：ロジックレベルの選び方

Arduino Uno、Nano、5 V版Pro Miniは5 Vロジックを使い、ESP8266、ESP32、Raspberry Pi Picoは3.3 Vロジックを使います。ESPのRXピンに5 Vの信号を入れると、入力保護ダイオードに負担がかかり、時間とともにピンが劣化するおそれがあります。そのため、多くのCH340Gモジュールには3ピンのジャンパーがあります。これでチップの電源電圧を選ぶと、TXD出力のレベルもその電圧に追従します。CP2102は常に3.3 Vロジックで動作しますが、入力は5 Vトレラントなので、3.3 Vと5 Vのどちらのボードとも通信できます。5 Vで動作するATmega328Pは、3 Vを超える入力をHIGHとして認識するためです。FT232RLモジュールにも、チップのI/Oレベル（VCCIO）を選ぶジャンパーがよく搭載されています。

変換モジュールにジャンパーがなく、5 VのTX信号を3.3 V入力に接続する必要がある場合は、簡単な分圧回路が使えます。TX線と接続先のRXの間に1 kΩ、接続先のRXとGNDの間に2 kΩを入れると、5 Vが約3.3 Vまで下がります。詳しい計算は分圧回路の記事にあります。逆方向、つまり3.3 VのTXから5 V入力への接続は、通常はそのままで問題ありません。

CH340・CP2102・FT232の比較

日常的な趣味の工作では、CH340とCP2102に実用上ほとんど差はありません。どちらも115200ボーで問題なく動作し、Arduino IDEが使うすべての速度に余裕で対応します。CP2102は発振器を内蔵し、3.3 V出力の供給能力が高いため、小型の3.3 Vボードへの給電では少し有利です。一方、CH340は最も安価で広く普及しています。FT232RLは詳細な設定ができる信頼性の高いチップですが、市場にある安価なFT232モジュールの多くには偽造チップが搭載されています。新しいESP32ボードで見かけるCH9102とCH343は、同じ系列のより高速なチップで、使い方はまったく同じです。

ドライバのインストール：Windows、macOS、Linux

Windowsで変換モジュールを接続した後、デバイスマネージャーのほかのデバイスに黄色い感嘆符付きのUSB2.0-Serialが表示される場合は、CH340のドライバがありません。CP2102 USB to UART Bridge Controllerと表示される場合は、CP2102のドライバがありません。ドライバをインストールしたら、変換モジュールを抜き差しし、Arduino IDEのツール＞ポートを確認してください。そのとき新しく表示されたポートが変換モジュールのポートです。何も表示されない場合は、まずケーブルを交換してください。充電専用ケーブルにはデータ線がありません。ポート、ドライバ、権限に関する問題の一覧は、Arduinoに書き込めないときにあります。

ループバックテスト：変換モジュールは動いている？

1. 変換モジュールからすべての配線を外し、パソコンに接続します。
2. ジャンパーワイヤーで、変換モジュール自身のTXDピンとRXDピンをつなぎます。
3. Arduino IDEで変換モジュールのポートを選び、シリアルモニタを開きます。このテストでは速度は問いません。
4. 何か入力して送信します。その文字列がすぐに戻ってくれば、チップ、ドライバ、ケーブルは正常です。問題は配線か接続先ボードにあります。
5. 何も戻ってこない場合は、ポート、ドライバ、ケーブルを確認し、変換モジュールのTXとRXのLEDが点滅するか調べてください。

Arduino Pro Miniへの書き込み：DTRで自動リセット

Arduinoにコードを書き込む際は、最初にボードがリセットされます。リセット後の約1秒間に動くブートローダーが、シリアルポートから新しいプログラムが届いているか確認します。UnoとNanoはこのリセットを自動で行います。USBチップのDTR線とプロセッサーのRESETピンの間に、100 nFのコンデンサがあるためです。IDEがポートを開いた瞬間、DTRがHIGHからLOWに下がり、コンデンサがこの急な変化を短いLOWパルスとしてRESETピンに伝えることで、ボードがリセットされます。Pro Miniにも同じコンデンサがボード上にあり、ヘッダーのGRN（またはDTR）ピンにつながっています。変換モジュールのDTRピンをそこにつなげば、Unoと同じように簡単に書き込めます。

1. 裏面や水晶振動子の表示で、ボードの種類を確認します。16 MHzの水晶振動子を搭載したものは5 V版、8 MHzのものは3.3 V版です。
2. ボードの種類に合わせて変換モジュールのジャンパーを設定し、表に従って配線します。
3. Arduino IDEでツール＞ボード＞Arduino AVR Boards＞Arduino Pro or Pro Miniを選びます。
4. ツール＞プロセッサで、ボードに合うATmega328P (5V, 16 MHz)またはATmega328P (3.3V, 8 MHz)を選びます。
5. 変換モジュールのポートを選び、次のテスト用スケッチを書き込みます。DTRを接続していれば、ボタンを押す必要はありません。

1// Pro Mini + USB-TTL testi: LED yanıp söner, gönderdiğin satır geri gelir
2// Pro Mini + USB-TTL test: the LED blinks and every line you send comes back
3const int LED = 13;                     // Pro Mini'nin dahili LED'i / Pro Mini onboard LED
4unsigned long sonDegisim = 0;
5bool ledAcik = false;
6
7void setup() {
8  Serial.begin(9600);
9  pinMode(LED, OUTPUT);
10  Serial.println(F("Pro Mini hazir / ready"));
11  Serial.print(F("Derlenen saat / compiled clock: "));
12  Serial.print(F_CPU / 1000000UL);      // 16 = 5 V sürüm, 8 = 3,3 V sürüm / 16 = 5 V board, 8 = 3.3 V board
13  Serial.println(F(" MHz"));
14}
15
16void loop() {
17  if (millis() - sonDegisim >= 500) {   // yarım saniyede bir / every half second
18    sonDegisim = millis();
19    ledAcik = !ledAcik;
20    digitalWrite(LED, ledAcik);
21  }
22  if (Serial.available()) {
23    String satir = Serial.readStringUntil('\n');   // satır sonuna kadar oku / read up to the line ending
24    satir.trim();
25    Serial.print(F("Geldi / received: "));
26    Serial.println(satir);
27  }
28}

書き込みが終わると、ボード上のLEDが0.5秒ごとに点滅します。シリアルモニタを9600ボーで開き、LFのみを選択して何か入力すると、その文字列が戻ってきます。コード内のF_CPUの行は、小さいけれど重要な落とし穴を見つけるためのものです。Pro Miniの両方の版のブートローダーは57600ボーで書き込むため、「プロセッサ」の選択が間違っていてもコードは書き込めます。しかし、8 MHzのボードに16 MHzを選ぶと、すべてが半分の速度で動き、LEDは1秒ごとに切り替わり、シリアルモニタには文字化けした表示しか出ません。変換モジュールにDTRピンがない場合は、手動でタイミングを合わせられます。IDEがコンパイルを終え、出力にUploading...（書き込み中）が表示された瞬間に、Pro Miniのリセットボタンを押して離してください。

ESP-01とESP32-CAMへのコードの書き込み

ESP8266とESP32のブートローダーはチップに内蔵されており、起動時にGPIO 0ピンを確認します。GPIO 0がLOWならダウンロードモードに入り、コードを待ちます。HIGHならフラッシュ内のプログラムを実行します。開発ボードには、2つのトランジスタを介してDTRとRTSをENとGPIO 0に接続する自動書き込み回路があります。esptoolがこれらの線を順番に切り替え、自動でダウンロードモードに移行させます。単純なUSB-TTL変換モジュールにはこの回路がないため、手動で行います。GPIO 0をGNDにつなぎ、ボードをリセットしてコードを書き込み、その後GPIO 0の接続を外してもう一度リセットします。

ESP-01はWi-Fi接続時に300 mAを超えるピーク電流を消費します。変換モジュールの3V3ピンでは供給できず、モジュールがリセットを繰り返します。そのため、5Vピンから給電するAMS1117-3.3レギュレーターを使ってください。ESP-01の配線とATコマンドの詳細はESP-01モジュールに、ESP32-CAMへの書き込み手順はESP32-CAMの使い方にあります。ESP32-CAMにPIRを追加し、写真をスマートフォンに送るプロジェクトは、ESP32-CAMの写真をTelegramに送信をご覧ください。

シリアルログを読む：USB-TTL変換モジュールを2つ目のシリアルポートに

あまり知られていないものの、とても便利な使い方が、ボードに2つ目のシリアルモニタを追加することです。ボード自身のUSBポートがPythonプログラム、シリアルプロッタ、別の機器と通信している間、別のポートで詳しいデバッグメッセージを確認できます。ESP32には3つのハードウェアUARTがあります。次のコードではUART2をGPIO 16と17に割り当て、1秒ごとにログを1行、変換モジュールへ送ります。変換モジュールからrを送信するとカウンターがリセットされ、双方向に通信できていることを確認できます。

1// ESP32: USB portu Serial'de kalır, ikinci log kanalı USB-TTL'ye gider
2// ESP32: the USB port stays on Serial, a second log channel goes to the USB-TTL
3#define LOG_RX 16                       // USB-TTL TXD buraya / USB-TTL TXD goes here
4#define LOG_TX 17                       // USB-TTL RXD buraya / USB-TTL RXD goes here
5
6unsigned long sayac = 0;
7
8void setup() {
9  Serial.begin(115200);                                  // kartın kendi USB portu / the board's own USB port
10  Serial2.begin(115200, SERIAL_8N1, LOG_RX, LOG_TX);     // UART2: USB-TTL'ye / UART2: to the USB-TTL
11  Serial.println("Ana port / main port");
12  Serial2.println("Log portu hazir / log port ready");
13}
14
15void loop() {
16  sayac++;
17  int deger = analogRead(34);                            // GPIO 34'e bağlı bir sensör / a sensor on GPIO 34
18  Serial2.printf("[%lu ms] #%lu ADC=%d\n", millis(), sayac, deger);   // ayrıntılı log / detailed log
19  if (sayac % 10 == 0) Serial.println(deger);            // ana portta yalnız özet / only a summary on the main port
20
21  while (Serial2.available()) {                          // USB-TTL'den gelen komut / command from the USB-TTL
22    char c = Serial2.read();
23    if (c == 'r') {
24      Serial2.println("Sayac sifirlandi / counter reset");
25      sayac = 0;
26    }
27  }
28  delay(1000);
29}

配線は、変換モジュールのジャンパーを3.3 Vに設定し、TXDをGPIO 16へ、RXDをGPIO 17へ、GNDをGNDへ接続します。その後、Arduino IDEをもう1つ開く代わりに、PuTTY、macOSやLinuxのscreen、またはPythonで自作した小さな読み取りプログラムを使えます。Python側については、ArduinoとPythonのシリアル通信を参照してください。Raspberry Pi Picoでは、同じことが数行のMicroPythonでできます。UART0はGP0（TX）とGP1（RX）にあり、コードはログを送信すると同時に、受信したバイトをそのまま返します。

1# Raspberry Pi Pico (MicroPython): UART0 üzerinden USB-TTL'ye log ve yankı
2# Raspberry Pi Pico (MicroPython): log and echo to a USB-TTL over UART0
3from machine import UART, Pin
4import time
5
6uart = UART(0, baudrate=115200, tx=Pin(0), rx=Pin(1))   # GP0 = TX, GP1 = RX
7led = Pin(25, Pin.OUT)                                  # Pico dahili LED / Pico onboard LED (Pico W: "LED")
8sayac = 0
9son = time.ticks_ms()
10
11uart.write("Pico UART0 hazir / ready\r\n")
12while True:
13    if time.ticks_diff(time.ticks_ms(), son) >= 1000:   # saniyede bir log / one log line per second
14        son = time.ticks_ms()
15        sayac += 1
16        led.toggle()
17        uart.write("[%d ms] #%d\r\n" % (time.ticks_ms(), sayac))
18    if uart.any():                                      # USB-TTL'den gelen baytlar / bytes from the USB-TTL
19        veri = uart.read()
20        uart.write(b"Geldi / received: " + veri)
21    time.sleep_ms(10)

同じ方法で、Arduinoを間に挟まずにモジュールの出力を読むこともできます。NEO-6M GPSモジュールを変換モジュールに直接接続して9600ボーで開くと、NMEAセンテンスが次々に届きます。HC-05 BluetoothモジュールをATモードで38400ボーで開けば、名前とPINを変更できます。シリアルモニタの改行コードとボーレートの設定は、Arduinoのシリアルモニタで詳しく解説しています。

よくある問題と対処法

USB-TTL変換モジュールは、引き出しに入る工具の中でも特に小さく、使用頻度の高いものの1つです。USBのないボードに書き込み、パソコンとモジュールを通信させ、プロジェクトの内部で起きていることを1行ずつ表示できます。TXとRXをクロス接続し、正しいロジックレベルを選び、GNDを共通にすることを覚えておけば、ほとんどの問題を避けられます。BlueGraysアプリには、2台のArduino間のシリアル通信、Bluetoothによるスマートフォンからの制御、ESP32のWi-Fiプロジェクトがあり、手順ごとの配線図とそのまま使えるコードを用意しています。