基于FTDI芯片進行USB到UART的轉(zhuǎn)換設(shè)計方案

一、引言

在現(xiàn)代電子設(shè)備中，USB（通用串行總線）接口已成為數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)接口之一。然而，在嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)自動化、設(shè)備調(diào)試等領(lǐng)域，UART（通用異步收發(fā)傳輸器）接口仍然廣泛使用。因此，USB到UART的轉(zhuǎn)換模塊在這些領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用需求。FTDI（英商飛特帝亞有限公司）作為全球領(lǐng)先的USB芯片和軟件方案提供商，其系列產(chǎn)品在USB到UART轉(zhuǎn)換方面表現(xiàn)出色。本文將詳細(xì)介紹基于FTDI芯片的USB到UART轉(zhuǎn)換設(shè)計方案，包括主控芯片型號、設(shè)計原理及作用等。

二、FTDI芯片概述

FTDI是設(shè)計和供應(yīng)USB芯片和軟件方案的專業(yè)廠商，其將易于實現(xiàn)的IC設(shè)備和經(jīng)過千錘百煉的免費USB固件和軟件驅(qū)動組合起來，提供了實現(xiàn)USB的快捷方式。FTDI的USB單信道和多信道接口可外設(shè)成具有易于使用特性的UART或FIFO界面，這些現(xiàn)行的設(shè)備可用于傳統(tǒng)USB至RS232/RS422轉(zhuǎn)換器應(yīng)用，也可用于MCU、PLD或FPGA至USB的快速界面。

FTDI的USB轉(zhuǎn)UART系列芯片包括FT232B、FT232R、FT232H、FT230X、FT231X等，這些芯片內(nèi)置了USB到UART橋接功能，可以輕松地與微控制器進行交互。此外，F(xiàn)TDI還提供了豐富的軟件支持，包括驅(qū)動程序、開發(fā)工具包和示例代碼，使得用戶能夠方便地在Windows、Linux和macOS等平臺上使用這些芯片。

三、主控芯片型號及作用

1. FT232RL

型號介紹：
FT232RL是FTDI的一款經(jīng)典USB轉(zhuǎn)UART接口芯片，采用SSOP封裝方式，針腳數(shù)為28，工作溫度范圍為-40°C至+85°C。該芯片支持USB 2.0全速（12 Mbps）的數(shù)據(jù)傳輸速率，電源電壓范圍為3.3V至5.25V。FT232RL內(nèi)置了USB協(xié)議引擎、FIFO緩沖區(qū)和時鐘發(fā)生器等功能模塊，簡化了電路設(shè)計，減少了PCB的空間占用和成本。

在設(shè)計中的作用：
FT232RL作為USB轉(zhuǎn)UART的核心芯片，負(fù)責(zé)將USB信號轉(zhuǎn)換為UART信號，從而與微控制器、DSP、FPGA等嵌入式設(shè)備進行交互。該芯片支持異步串行通信，常用于與微控制器或其他設(shè)備進行串行數(shù)據(jù)交互。此外，F(xiàn)T232RL還提供了CBUS接口，可用于配置和控制外部設(shè)備。

2. FT2232D

型號介紹：
FT2232D是FTDI的一款雙通道USB轉(zhuǎn)串行通信芯片，廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)自動化和設(shè)備互聯(lián)等領(lǐng)域。該芯片支持雙通道USB到串行/并行接口轉(zhuǎn)換，能夠?qū)崿F(xiàn)多種通信協(xié)議的橋接，如UART、JTAG、SPI、I2C等。FT2232D通過USB接口與主機設(shè)備進行通信，將USB信號轉(zhuǎn)換為串行或并行信號，從而能夠與微控制器等嵌入式設(shè)備進行交互。

在設(shè)計中的作用：
FT2232D的雙通道設(shè)計使得用戶可以通過一個USB接口同時與兩個串行設(shè)備進行通信，提高了通信效率。此外，兩個通道可以分別配置為不同的通信模式，從而適應(yīng)不同的通信需求。該芯片支持多種標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，如UART、SPI、I2C、JTAG等，具有很強的適應(yīng)性。用戶可以通過配置寄存器輕松切換不同的協(xié)議，從而滿足不同設(shè)備的通信要求。

3. FT232RQ

型號介紹：
FT232RQ是FTDI最新推出的USBUART接口集成電路設(shè)備系列之一。該芯片帶有可選的時鐘發(fā)生器輸出和新的FTDichipID安全加密狗功能，提供了異步和同步位開關(guān)接口模式。通過將外部EEPROM、時鐘電路和USB電阻完全集成到設(shè)備上，進一步簡化了USB到串行設(shè)計。

在設(shè)計中的作用：
FT232RQ在USB到UART轉(zhuǎn)換中起到了關(guān)鍵的作用。其內(nèi)部產(chǎn)生的時鐘可以從設(shè)備中取出，用于驅(qū)動微控制器或外部邏輯。此外，該芯片還提供了一個唯一的號碼（FTDichipID），在生產(chǎn)過程中被燒錄到設(shè)備中，并且可以通過USB讀取，從而形成了一個安全加密狗的基礎(chǔ)，該加密狗可用于保護客戶應(yīng)用軟件不被復(fù)制。

四、設(shè)計原理及實現(xiàn)

1. 電路設(shè)計方案

在電路設(shè)計方案中，我們通常會關(guān)注以下幾個關(guān)鍵組成部分：

• USB接口：USB接口是連接到主機（如PC）的物理接口，通常采用Type-A或Type-C形式。USB接口需要遵循USB規(guī)范，提供電源和數(shù)據(jù)傳輸功能。

• USB控制器芯片：USB控制器芯片負(fù)責(zé)處理USB協(xié)議，例如FT232RL或FT2232D等，它們能夠?qū)SB通信協(xié)議轉(zhuǎn)換成UART協(xié)議。

• UART接口：UART接口由TX（發(fā)送）和RX（接收）兩條線組成，用于與目標(biāo)設(shè)備進行串行通信。在電路設(shè)計中，需要確保UART的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗設(shè)置與目標(biāo)設(shè)備匹配。

• PCB設(shè)計：在PCB設(shè)計中，需要考慮尺寸和材料，以及大引腳設(shè)計以便于調(diào)試。此外，還需要添加濾波電路以減少噪聲和提高信號質(zhì)量。

2. 具體實現(xiàn)步驟

• 選擇芯片：根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的FTDI芯片，如FT232RL、FT2232D或FT232RQ等。

• 設(shè)計電路：根據(jù)芯片的規(guī)格書和電路設(shè)計方案，設(shè)計電路原理圖，并選擇合適的元器件。

• PCB布局與布線：在PCB設(shè)計軟件中完成PCB布局與布線，確保電路板的尺寸、材料和引腳間距等滿足設(shè)計要求。

• 焊接與調(diào)試：將元器件焊接到電路板上，并進行電路調(diào)試，確保電路能夠正常工作。

• 軟件配置：使用FTDI提供的驅(qū)動程序和開發(fā)工具包對芯片進行配置和調(diào)試，確保芯片能夠正確地將USB信號轉(zhuǎn)換為UART信號。

3. 示例設(shè)計

以下是一個基于FT232RL的USB到UART轉(zhuǎn)換模塊的示例設(shè)計：

• 模塊概述：該模塊使用FT232RL芯片作為核心，支持3.3V和5V串行邏輯電平，并使用三個LED指示器進行電源連接、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)接收。該模塊還支持串行CTS和RTS引腳，以及六個可用于直接控制連接設(shè)備的GPIO。

• 電路設(shè)計：電路設(shè)計包括電源電路、USB接口電路、UART接口電路和GPIO控制電路等。其中，電源電路負(fù)責(zé)提供穩(wěn)定的電源電壓；USB接口電路負(fù)責(zé)與主機設(shè)備進行通信；UART接口電路負(fù)責(zé)與目標(biāo)設(shè)備進行串行通信；GPIO控制電路負(fù)責(zé)控制外部設(shè)備。

• PCB設(shè)計：該模塊采用兩層PCB設(shè)計，所有組件封裝均為SMD（引腳連接器除外）。在PCB設(shè)計中，需要考慮尺寸、材料、引腳間距和濾波電路等因素。

• 軟件配置：使用FTDI提供的“MCP2200配置實用程序”（雖然示例中使用的是MCP2200芯片，但配置過程類似）對FT232RL芯片進行配置。配置內(nèi)容包括波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗等參數(shù)。

五、結(jié)論

基于FTDI芯片的USB到UART轉(zhuǎn)換設(shè)計方案具有廣泛的應(yīng)用前景。FTDI的系列芯片如FT232RL、FT2232D和FT232RQ等，以其高性能、可靠性和靈活性，成為USB到UART轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的首選。通過合理的電路設(shè)計和軟件配置，可以實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的USB到UART轉(zhuǎn)換，滿足各種嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)自動化和設(shè)備調(diào)試等領(lǐng)域的需求。

在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和需求選擇合適的FTDI芯片，并進行詳細(xì)的電路設(shè)計和軟件配置。此外，還需要注意電路板的尺寸、材料和引腳間距等因素，以確保電路的穩(wěn)定性和可靠性。通過不斷優(yōu)化和改進設(shè)計方案，可以進一步提高USB到UART轉(zhuǎn)換模塊的性能和可靠性，為各種應(yīng)用提供更加優(yōu)質(zhì)的解決方案。