探索Adafruit FT232H Breakout：多功能串口協(xié)議擴展板的使用指南

在電子設(shè)計領(lǐng)域，我們常常希望計算機能夠直接與各種設(shè)備和傳感器進行通信，而Adafruit FT232H Breakout擴展板為我們實現(xiàn)這一目標(biāo)提供了一個強大且靈活的解決方案。下面將詳細(xì)介紹該擴展板的特點、組裝、配置及使用方法。

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一、概述

Adafruit FT232H Breakout擴展板是一款功能強大的工具，它就像是計算機的一個“串口協(xié)議瑞士軍刀”。自2020年2月12日起，該擴展板進行了升級，采用了現(xiàn)代的USB C連接器，新增了I2C開關(guān)以便于I2C接口連接，還有3V電源輸出引腳（最大500mA）以及Stemma QT連接器，可實現(xiàn)即插即用連接各種Stemma QT或Qwiic設(shè)備、傳感器和顯示器，并且在尺寸、安裝孔和引腳排列上完全向后兼容。

FT232H芯片來自FTDI，與常見的USB轉(zhuǎn)串口轉(zhuǎn)換器芯片類似，但它增加了“多協(xié)議同步串行引擎”（MPSSE），能夠支持SPI、I2C、串行UART、JTAG等多種常見協(xié)議。此外，它還有幾個數(shù)字GPIO引腳，可用于讀取和寫入，實現(xiàn)諸如閃爍LED、讀取開關(guān)或按鈕等功能。

二、組裝與接線

1. 組裝

組裝FT232H Breakout擴展板需要將附帶的引腳頭焊接到擴展板上。如果你是焊接新手，建議先閱讀優(yōu)秀焊接指南并進行一些廢料練習(xí)。具體步驟如下：

• 修剪公引腳頭，使其長度與擴展板上的引腳孔相匹配，通常是兩排各10個引腳。
• 將引腳頭的長引腳插入面包板，使FT232H擴展板的引腳孔能夠完美穿過面包板頂部伸出的引腳頭。
• 使用烙鐵和焊錫，小心地將所有引腳焊接到FT232H擴展板上。
• 焊接完成后，將微型USB電纜插入FT232H擴展板的端口，再將電纜連接到計算機或筆記本電腦。如果擴展板上5V引腳旁邊的綠色LED亮起，說明組裝成功。

2. 接線

FT232H擴展板的引腳功能如下：

• 5V：這是直接連接到USB總線的5伏電源，不要從該引腳吸取超過400 - 500mA的電流，以免損壞計算機的USB端口。
• GND：這是FT232H擴展板的接地引腳。
• D0 - D7：這些是FT232H芯片上的ADBUS引腳，用于串行UART和其他串行協(xié)議，也可作為GPIO引腳用于數(shù)字輸入和輸出。
• C0 - C9：這些是FT232H芯片上的ACBUS引腳，主要用作GPIO引腳進行數(shù)字輸入和輸出。需要注意的是，C8和C9引腳不能通過軟件控制，只能通過更改芯片的EEPROM來分配功能。

三、串行UART使用

1. 基本功能

FT232H開箱即用，可作為FTDI的USB轉(zhuǎn)串行UART轉(zhuǎn)換器，適用于與Arduino等串行設(shè)備通信。它能安全處理3.3伏和5伏信號，可連接Arduino的5伏串行端口以及樹莓派或BeagleBone Black的3.3伏串行端口。

2. 引腳功能

• D0：TX或發(fā)送引腳，是FT232H芯片的串行數(shù)據(jù)輸出，應(yīng)連接到串行設(shè)備的RX或接收引腳。
• D1：RX或接收引腳，是FT232H芯片的串行數(shù)據(jù)輸入，應(yīng)連接到串行設(shè)備的TX或發(fā)送引腳。
• D2：RTS或準(zhǔn)備發(fā)送引腳，用于串行連接的流控制。
• D3：CTS或清除發(fā)送引腳，與RTS類似，用于流控制。
• D4：DTR或數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好引腳，用于RS - 232串行連接的流控制。
• D5：DSR或數(shù)據(jù)集準(zhǔn)備好引腳，與DTR類似，用于RS - 232串行連接的流控制。
• D6：DCD或數(shù)據(jù)載波檢測引腳，有時用于RS - 232串行通信。

3. USB串行驅(qū)動程序安裝

大多數(shù)操作系統(tǒng)都包含F(xiàn)TDI的串行UART驅(qū)動程序，通常無需額外安裝。具體情況如下：

• Mac OSX Mavericks或更高版本：自動包含F(xiàn)TDI串行驅(qū)動程序。
• Linux內(nèi)核版本約2.6及以上：也包含F(xiàn)TDI串行驅(qū)動程序，如Ubuntu 12.04或14.04等現(xiàn)代Linux發(fā)行版無需安裝驅(qū)動。
• Windows：通?？梢栽诰€自動搜索驅(qū)動程序，如果失敗，可以手動從FTDI網(wǎng)站下載并安裝。

4. 串行使用測試

安裝必要的串行端口驅(qū)動程序后，可以進行簡單的回環(huán)測試來確認(rèn)能夠通過UART讀寫數(shù)據(jù)。將D0（TX）引腳連接到D1（RX）引腳，使用串行控制臺輸入數(shù)據(jù)，若輸入的數(shù)據(jù)能被立即回顯，則測試成功。不同操作系統(tǒng)的操作方法如下：

• Windows：可以使用PuTTY作為串行控制臺，配置連接類型為串行，設(shè)置串行線為設(shè)備管理器中找到的COM端口，速度設(shè)置為9600波特。
• Mac OSX：使用終端命令ls /dev/tty.*列出所有串行端口，連接FT232H擴展板后再次運行該命令，找到新出現(xiàn)的設(shè)備，使用screen命令打開串行連接。
• Linux：使用ls /dev/tty*命令列出串行設(shè)備，連接FT232H擴展板后找到新設(shè)備的路徑，使用screen命令打開串行端口。

四、Python設(shè)置與使用

1. MPSSE模式概述

MPSSE（多協(xié)議同步串行引擎）是FT232H芯片的核心，它允許芯片支持I2C、SPI等多種協(xié)議。在MPSSE模式下，D0 - D3引腳具有特殊的串行協(xié)議功能：

• D0：時鐘信號輸出，可配置為運行速度在約450Hz至30MHz之間的時鐘。
• D1：串行數(shù)據(jù)輸出，用于輸出串行信號，如SPI連接中的MOSI線。
• D2：串行數(shù)據(jù)輸入，用于讀取串行信號，如SPI連接中的MISO線。
• D3：串行選擇信號，用于告訴連接的設(shè)備FT232H準(zhǔn)備與之通信。

此外，MPSSE模式還允許將D4 - D7和C0 - C7共12個引腳作為通用數(shù)字輸入或輸出控制。

2. 軟件選項

使用MPSSE模式需要使用一些特殊的軟件和編程庫，以下是一些可選的軟件：

• FTDI的官方D2XX驅(qū)動程序和庫：由FTDI生產(chǎn)，提供對FTDI芯片功能的底層訪問，有適用于Windows、Mac OSX和Linux的二進制版本。
• FTDI的LibMPSSE - I2C和LibMPSSE - SPI庫：基于D2XX驅(qū)動程序構(gòu)建，為與FT232H的MPSSE組件進行I2C和SPI通信提供更簡單的接口。
• libFTDI庫：開源庫，類似于D2XX庫，提供對FTDI芯片功能的底層接口，還有Python接口，使用起來相對簡單。
• libmpsse庫：基于libFTDI庫構(gòu)建，為使用MPSSE組件的I2C和SPI協(xié)議提供更簡單的接口，目前僅支持Mac OSX和Linux。
• Adafruit Python GPIO庫：為簡化FT232H的使用，該庫提供了一個簡單的接口，可通過Python編程語言訪問FT232H的GPIO、SPI和I2C功能，支持Windows、Mac OSX和Linux平臺。

3. 不同平臺的MPSSE設(shè)置

由于MPSSE相關(guān)內(nèi)容已被棄用，這里僅作歷史參考。在使用MPSSE模式時，串行UART模式將被禁用。不同平臺的設(shè)置步驟如下：

• Windows：需要使用Zadig工具將FT232H的FTDI驅(qū)動程序替換為基于libusb的驅(qū)動程序，下載并安裝libftdi二進制文件，最后安裝Adafruit Python GPIO庫。
• Mac OSX：需要安裝Xcode和Xcode命令行工具，安裝Homebrew包管理器，使用brew命令安裝libftdi及其依賴項，下載并安裝Adafruit Python GPIO庫。
• Linux：在Debian/Ubuntu/Raspbian系統(tǒng)上，使用apt - get命令安裝libftdi及其依賴項，下載并安裝Adafruit Python GPIO庫。

4. MPSSE使用示例

（1）GPIO使用

使用FT232H的GPIO引腳非常簡單，以下是一個閃爍LED和讀取數(shù)字輸入的示例：

• 連接硬件：將FT232H的C0引腳連接到LED的陽極，LED的陰極通過一個330 - 1000歐姆的電阻連接到FT232H的GND引腳；將FT232H的D7引腳連接到GND，通過將跳線在GND和5V之間切換來讀取D7輸入的高低值。
• 編寫Python代碼：創(chuàng)建一個名為gpio_test.py的文件，代碼如下：

  
  import time
  import Adafruit_GPIO as GPIO
  import Adafruit_GPIO.FT232H as FT232H

FT232H.use_FT232H() ft232h = FT232H.FT232H() ft232h.setup(7, GPIO.IN) ft232h.setup(8, GPIO.OUT)

print 'Press Ctrl - C to quit.' while True: ft232h.output(8, GPIO.HIGH) time.sleep(1) ft232h.output(8, GPIO.LOW) level = ft232h.input(7) if level == GPIO.LOW: print 'Pin D7 is LOW!' else: print 'Pin D7 is HIGH!' time.sleep(1)

 - 運行代碼：在Windows上運行`python gpio_test.py`，在Mac OSX或Linux上運行`sudo python gpio_test.py`，可以看到LED每秒閃爍一次，并打印D7輸入的狀態(tài)。

#### （2）SPI使用
FT232H的MPSSE非常適合使用SPI協(xié)議進行通信，以下是一個使用SPI協(xié)議發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的示例：
```python
import Adafruit_GPIO.FT232H as FT232H

FT232H.use_FT232H()
ft232h = FT232H.FT232H()
spi = FT232H.SPI(ft232h, cs = 8, max_speed_hz = 3000000, mode = 0, bitorder = FT232H.MSBFIRST)
spi.write([0x01, 0x02, 0x03])

response = spi.read(3)
print 'Received {0}'.format(response)

response = spi.transfer([0x01, 0x02, 0x03])
print 'Received {0}'.format(response)

（3）驅(qū)動NeoPixels

使用SPI協(xié)議驅(qū)動WS2811/WS2812 NeoPixel可尋址RGB LED是一個有趣的應(yīng)用。通過使用6MHz的高速SPI信號對NeoPixel控制信號進行“過采樣”，可以從FT232H的D1（MOSI）線生成近似的控制信號。需要注意的是，這種方法一次最多只能點亮約340個像素。以下是一個驅(qū)動NeoPixels的示例代碼：

import time
import Adafruit_GPIO as GPIO
import Adafruit_GPIO.FT232H as FT232H

class NeoPixel_FT232H(object):
    def __init__(self, n):
        self.ft232h = FT232H.FT232H()
        self.spi = FT232H.SPI(self.ft232h, max_speed_hz = 6000000)
        self.buffer = bytearray(n * 24)
        self.lookup = self.build_byte_lookup()

    def build_byte_lookup(self):
        lookup = {}
        for i in range(256):
            value = bytearray()
            for j in range(7, -1, -1):
                if ((i >> j) & 1) == 0:
                    value.append(0b11100000)
                else:
                    value.append(0b11111000)
            lookup[i] = value
        return lookup

    def set_pixel_color(self, n, r, g, b):
        index = n * 24
        self.buffer[index:index + 8] = self.lookup[int(g)]
        self.buffer[index + 8:index + 16] = self.lookup[int(r)]
        self.buffer[index + 16:index + 24] = self.lookup[int(b)]

    def show(self):
        self.spi.write(self.buffer)

if __name__ == '__main__':
    pixel_count = 16
    pixels = NeoPixel_FT232H(pixel_count)
    for i in range(pixel_count):
        pixels.set_pixel_color(i, 255, 0, 0)
        pixels.show()
        time.sleep(0.25)
    for i in range(pixel_count):
        pixels.set_pixel_color(i, 0, 255, 0)
        pixels.show()
        time.sleep(0.25)
    for i in range(pixel_count):
        pixels.set_pixel_color(i, 0, 0, 255)
        pixels.show()
        time.sleep(0.25)
    colors = [(255, 0, 0), (255, 255, 0), (0, 255, 0), (0, 255, 255), (0, 0, 255), (255, 0, 255)]
    offset = 0
    print 'Press Ctrl - C to quit.'
    while True:
        for i in range(pixel_count):
            color = colors[(i + offset) % len(colors)]
            pixels.set_pixel_color(i, color[0], color[1], color[2])
        pixels.show()
        offset += 1
        time.sleep(0.25)

（4）I2C使用

I2C協(xié)議是與傳感器和設(shè)備通信的另一種流行協(xié)議，F(xiàn)T232H的MPSSE組件可以實現(xiàn)I2C協(xié)議。使用I2C時，需要將D1和D2引腳用跳線連接在一起，形成I2C的SDA數(shù)據(jù)線，D0引腳作為I2C的SCL時鐘線，并添加4.7千歐姆的上拉電阻。以下是一個使用I2C的示例代碼：

import Adafruit_GPIO.FT232H as FT232H

FT232H.use_FT232H()
ft232h = FT232H.FT232H()
i2c = FT232H.I2CDevice(ft232h, 0x70)

response = i2c.readU16(0x01)
i2c.write8(0x02, 0xAB)

五、更多信息與資源

1. 參考資料

• 官方FT232H數(shù)據(jù)手冊：這是了解FT232H所有信息的參考資料，建議至少瀏覽一遍，以便全面了解芯片的功能。
• MPSSE命令參考：詳細(xì)介紹了控制FT232H芯片MPSSE組件的底層命令。
• FTDI實用工具：如FT PROG工具，可用于寫入FT232H擴展板的EEPROM并控制C8和C9引腳的功能，但該工具僅支持Windows。
• FTDI應(yīng)用筆記：在該頁面搜索FT232H或MPSSE，可找到許多使用FT232H與不同串行協(xié)議進行接口的有用應(yīng)用筆記。
• libftdi：開源庫，是FTDI二進制驅(qū)動程序的不錯替代方案，可用于與FT232H進行底層交互。
• libmpsse：用于訪問FT232H的MPSSE功能，是本指南中Python GPIO庫的替代方案。
• OpenOCD硬件：對于ARM芯片開發(fā)，OpenOCD調(diào)試工具對于使用JTAG協(xié)議進行芯片調(diào)試非常有價值，具有MPSSE的FTDI芯片（如FT232H）甚至可以支持JTAG并與OpenOCD配合使用。

2. 擦除EEPROM以使用FT_PROG

如果要使用FTDI的FT_PROG編程工具，可能需要擦除FT232H的EEPROM。具體步驟如下：

• 連接FT232H板到計算機，使用Zadig工具啟用基于libusb的驅(qū)動程序。
• 下載libftdi Windows二進制文件，解壓后在命令行終端中運行eeprom -e -p 0x6014 -v 0x0403命令擦除EEPROM。
• 卸載libusb驅(qū)動程序，重新插拔FT232