EVAL232R FT232RL USB 轉 RS232 評估模塊深度解析

在電子設計領域，USB 轉 RS232 接口的應用十分廣泛。今天我們就來詳細探討一下 FTDI 的 EVAL232R FT232RL USB 轉 RS232 評估模塊，看看它有哪些獨特之處。

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一、模塊概述

EVAL232R 是一款針對 FTDI 的 FT232RL USB - 串行 UART 接口 IC 設備的 USB 轉 RS232 評估模塊。FT232RL 具有可選的時鐘發(fā)生器輸出和 FTDIChip - ID? 安全加密狗功能，還支持異步和同步位操作模式。它將外部 EEPROM、時鐘電路和 USB 電阻集成到設備中，簡化了 USB 轉串行接口的設計。此外，與前代產(chǎn)品相比，F(xiàn)T232RL 新增了兩項功能，可在某些應用領域充當“三合一”芯片。

該模塊采用 61.0mm x 32.0mm（2.40” x 1.26”）的 PCB，所有組件，包括 FT232RL 和 RS232 電平轉換 IC 均為無鉛（符合 RoHS 標準）。

二、典型應用場景

2.1 驅動支持

FTDI 提供了免費的 VIRTUAL COM PORT (VCP) 驅動和 D2XX 直接驅動，支持多種操作系統(tǒng)，如 Windows 各版本、Mac OS、Linux 等，還支持 Android (J2xx)。這些驅動可從 FTDI 網(wǎng)站（www.ftdichip.com）免費下載，此外還有第三方驅動適用于其他操作系統(tǒng)。驅動安裝可參考 http://www.ftdichip.com/Documents/InstallGuides.htm 。

2.2 應用領域

該模塊可用于多種場景，如將傳統(tǒng)外設升級為 USB 接口、USB 音頻和低帶寬視頻數(shù)據(jù)傳輸、PDA 與 USB 數(shù)據(jù)傳輸、USB 智能卡讀卡器、USB 儀器儀表、USB 工業(yè)控制、USB MP3 播放器接口、USB 閃存卡讀寫器、機頂盒與 PC 的 USB 接口、USB 數(shù)碼相機接口、USB 硬件調制解調器、USB 無線調制解調器、USB 條形碼閱讀器以及 USB 軟件/硬件加密狗等。

2.3 模塊特性

• 接口功能：FT232RL 提供單芯片 USB 到異步串行數(shù)據(jù)傳輸接口，模塊提供 USB 到 RS232 接口，并帶有額外的 I/O 引腳。整個 USB 協(xié)議由 FT232RL 芯片處理，無需進行 USB 特定的固件編程。
• UART 接口：支持 7 或 8 個數(shù)據(jù)位、1 或 2 個停止位以及奇/偶/標記/空格/無校驗。提供全輔助硬件或 X - On / X - Off 軟件握手。
• 數(shù)據(jù)傳輸速率：在 RS232 電平下，數(shù)據(jù)傳輸速率從 300 波特到 1 兆波特。
• 驅動優(yōu)勢：FTDI 的免費 VCP 和 D2XX 驅動在大多數(shù)情況下消除了 USB 驅動開發(fā)的需求。
• 其他特性：內置事件字符和線路中斷條件支持、新的 USB FTDIChip - ID? 功能、可配置的 CBUS I/O 引腳、用于指示串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖瞻l(fā) LED、新的 48MHz、24MHz、12MHz 和 6MHz 時鐘輸出信號選項、用于高數(shù)據(jù)吞吐量的 FIFO 收發(fā)緩沖區(qū)、可調節(jié)的接收緩沖區(qū)超時、帶有 RD# 和 WR# 選通的同步和異步位操作模式接口選項、新的 CBUS 位操作模式選項、集成 1024 位內部 EEPROM 用于存儲 USB VID、PID、序列號和產(chǎn)品描述字符串以及 CBUS I/O 配置、設備預編程有唯一的 USB 序列號、支持 USB 掛起和恢復、模塊電源電壓來自 VCC，無需外部電源、5V USB 電源可用于為外部設備供電、集成 3.3V 電平轉換器用于 USB I/O、UART 和 CBUS 集成電平轉換器以連接 5V - 1.8V 邏輯、板載跳線可選擇 UART 和 CBUS 接口的 IO 電壓、真正的 5V / 3.3V / 2.8V / 1.8V CMOS 驅動輸出和 TTL 輸入、高 I/O 引腳輸出驅動選項、集成 USB 電阻、集成上電復位電路、完全集成的時鐘，無需外部晶體、振蕩器或諧振器、完全集成的 AVCC 電源濾波，無需單獨的 AVCC 引腳和外部 R - C 濾波器、USB 批量傳輸模式、低工作和 USB 掛起電流、低 USB 帶寬消耗、與 UHCI / OHCI / EHCI 主機控制器兼容、USB 2.0 全速兼容、-40°C 至 85°C 擴展工作溫度范圍、采用微型 61.0mm x 32.0mm（2.40” x 1.26”）PCB，帶有 15 個板載插頭引腳，可通過標準 USB A 到 B USB 電纜連接到 PC。

三、FT232RQ 特性與改進

3.1 集成電路改進

• 時鐘電路：前代 FTDI 的 USB UART 設備需要外部晶體或陶瓷諧振器，而 FT232R 將時鐘電路集成到設備中，無需外部晶體或陶瓷諧振器，但也可選擇使用外部 12MHz 晶體作為時鐘源。
• EEPROM：前代產(chǎn)品若要使用非默認的 USB 廠商 ID (VID)、產(chǎn)品 ID (PID)、序列號和產(chǎn)品描述字符串，需要外部 EEPROM。現(xiàn)在 FT232R 將外部 EEPROM 集成到芯片中，所有設計都可選擇更改產(chǎn)品描述字符串，內部 EEPROM 有用戶區(qū)域可存儲額外數(shù)據(jù)，且可通過 USB 在電路中編程，無需額外電壓。
• USB 電阻：前代產(chǎn)品在 USBDP 和 USBDM 線上需要兩個外部串聯(lián)電阻，以及 USBDP 上的 1.5 kΩ 上拉電阻，現(xiàn)在這些電阻已集成到設備中。
• AVCC 濾波：前代產(chǎn)品有單獨的 AVCC 引腳，需要外部 R - C 濾波器，現(xiàn)在 AVCC 引腳內部連接到 VCC，濾波器也集成到芯片中。

3.2 功能特性增強

• CBUS I/O 引腳配置：有 5 條可配置的控制總線 (CBUS) 線路，可配置為多種功能，如 TXDEN#（用于 RS485 設計的發(fā)送使能）、PWREN#（用于高功率總線供電設計的電源控制）、TXLED#（數(shù)據(jù)傳輸時脈沖點亮 LED）、RXLED#（數(shù)據(jù)接收時脈沖點亮 LED）、TX&RXLED#（數(shù)據(jù)傳輸或接收時脈沖點亮 LED）、SLEEP#（指示設備進入 USB 掛起模式）、CLK48 / CLK24 / CLK12 / CLK6（48MHz、24MHz、12MHz 和 6MHz 時鐘輸出信號選項），還可配置位操作模式的讀寫選通。設備出廠時預編程了最常用的引腳定義。
• 位操作模式增強：
  • 異步位操作模式：FT232R 支持 FTDI 的 BM 芯片位操作模式，增強后內部的 RD# 和 WR# 選通可引出，用于讓外部邏輯通過訪問位操作 I/O 總線進行時鐘控制。
  • 同步位操作模式：與異步位操作模式不同，接口引腳僅在設備寫入時讀取，便于控制程序測量輸出刺激的響應，因為返回的數(shù)據(jù)與輸出數(shù)據(jù)同步。
  • CBUS 位操作模式：允許將四個 CBUS 引腳單獨配置為 GPIO 引腳，可在 UART 接口使用時提供最多四個通用 I/O 引腳。
• 其他特性：
  • 電源電壓：前代芯片 VCC 引腳需要 5V 電源，F(xiàn)T232R 的 VCC 電源范圍為 3.5V 至 5.25V，對于自供電設計，若只有 3.5V 電源且無 5V 電源，無需額外的外部調節(jié)器。
  • 電平轉換：UART 接口和控制信號集成了電平轉換器，VCCIO 引腳電源范圍為 1.8V 至 5V，連接到 1.8V、2.8V 或 3.3V 時，設備可直接連接到相應邏輯系列，無需外部電平轉換 IC 設備。
  • 上電復位電路：設備內置上電復位 (POR) 功能，有 RESET# 引腳可供外部邏輯在需要時復位 FT232R，許多應用中該引腳可懸空或上拉到 VCCIO。
  • 低功耗：設備工作電源電流降至 15mA，掛起電流降至約 70μA，為外設設計滿足 USB 掛起電流限制（500μA）提供了更大余量。
  • 低 USB 帶寬消耗：USB 接口設計盡量減少了從 USB 主機控制器獲取的總 USB 帶寬。
  • 高輸出驅動選項：UART 接口和 CBUS I/O 引腳可驅動三倍標準信號驅動電平，可連接多個設備或需要更大信號驅動強度的設備，該選項在內部 EEPROM 中啟用。
  • 電源管理控制：PWREN# 信號可用于直接驅動晶體管或 P 溝道 MOSFET，在需要對外部電路進行電源開關的應用中，內部 EEPROM 中的選項可使設備在電源關閉（PWREN# 為高）時輕輕下拉其 UART 接口線，確保外部電路在電源恢復時可靠復位。
  • UART 引腳信號反轉：八個 UART 信號的每個信號的極性可通過設置內部 EEPROM 中的選項單獨反轉。
  • FTDIChip - ID?：每個 FT232R 在制造時分配一個唯一的編號，該編號不能由產(chǎn)品制造商或最終用戶重新編程，可用于基于 FT232R 的加密狗進行軟件授權，還可基于 FTDIChip - ID? 編號實現(xiàn)可再生許可證方案。
  • EMI 性能改進：降低的工作電流和改進的片上 VCC 去耦顯著提高了 PCB 設計滿足 FCC、CE 和其他 EMI 相關規(guī)范的便利性。
  • 可編程接收緩沖區(qū)超時：接收緩沖區(qū)超時用于清除接收緩沖區(qū)中的剩余數(shù)據(jù)，默認時間為 16ms，可通過 USB 以 1ms 為增量從 1ms 到 255ms 進行編程，使設備可針對需要短數(shù)據(jù)包快速響應的協(xié)議進行優(yōu)化。
  • 波特率：支持從 300 波特到 3 兆波特的所有標準和非標準波特率，非標準波特率可通過特定公式計算，當需要非標準波特率時，只需將所需波特率值正常傳遞給驅動程序，F(xiàn)TDI 驅動程序將計算所需的除數(shù)并設置波特率。
  • 擴展工作溫度范圍：FT232R 可在 -40o 至 +85o C 的擴展溫度范圍內工作，適用于汽車和工業(yè)應用。
  • 新封裝選項：FT232R 有兩種封裝，緊湊的 28 引腳 SSOP（FT232RL）和超緊湊的 5mm x 5mm 無引腳 QFN - 32 封裝（FT232RQ），均為無鉛（Pb）且使用“綠色”化合物，完全符合歐盟指令 2002/95/EC。EVAL232R 模塊使用 FT232RL 設備。

四、引腳輸出與信號描述

4.1 引腳輸出

EVAL232R 模塊有多個引腳，包括 VCC、VCCIO、VCC3O、CBUS0 - 3、RESET#、GND 等，不同引腳有不同的功能和用途。

4.2 信號描述

• VCC：5V 電源輸出，低功率 USB 總線供電設計時，可從 USB 總線的 5V 電源獲取最多 100mA 電流；高功率 USB 總線供電設計時，可獲取最多 500mA 電流。
• VCCIO：為 FT232RL 的 UART 接口和 CBUS I/O 引腳提供 +1.8V 至 +5.25V 電源，在 USB 總線供電設計中，可連接到 3V3 以 3.3V 電平驅動，或連接到 VCC 以 5V CMOS 電平驅動，也可使用由 USB 總線 5V 供電的外部 1.8V 調節(jié)器供電。
• VCC3O：FT232RL 集成 L.D.O. 調節(jié)器的 3.3V 輸出，通過 100nF 電容在模塊 PCB 上接地，主要為 USB 收發(fā)器單元和 USBDP 上的內部 1.5kΩ 上拉電阻提供內部 3.3V 電源，必要時可從該引腳獲取最多 50mA 電流為外部邏輯供電，也可通過連接該引腳到 VCCIO 為 FT232RL 的 VCCIO 引腳供電。

4.3 CBUS 信號選項

CBUS I/O 引腳可通過內部 EEPROM 使用 FT_PROG 實用軟件進行配置，有多種選項，如 TXDEN#、PWREN#、TXLED#、RXLED#、TX&RXLED#、SLEEP#、CLK48、CLK24、CLK12、CLK6、CBitBangI/O、BitBangWRn、BitBangRDn 等。

4.4 RS232 信號描述

DB9 引腳包括 DCD（數(shù)據(jù)載波檢測控制輸入）、RXDATA（接收異步數(shù)據(jù)輸入）、TXDATA（發(fā)送異步數(shù)據(jù)輸出）、DTR（數(shù)據(jù)終端就緒控制輸出/握手信號）、GND（設備接地電源引腳）、DSR（數(shù)據(jù)集就緒控制輸入/握手信號）、RTS（請求發(fā)送控制輸出/握手信號）、CTS（清除發(fā)送控制輸入/握手信號）、RI（振鈴指示控制輸入，當 FT232RL 內部 EEPROM 中啟用遠程喚醒功能時，將 RI# 拉低可使 PC USB 主機控制器從掛起狀態(tài)恢復）。

五、模塊尺寸與特性

5.1 模塊尺寸

EVAL232R 模塊尺寸為 61.0mm x 32.0mm（2.40” x 1.26”），F(xiàn)T232RL 采用符合 RoHS 標準的 28 引腳 SSOP 封裝，為無鉛且使用“綠色”化合物，日期代碼格式為 YYXX，其中 xx 為兩位周數(shù)，YY 為兩位年份數(shù)，模塊使用的所有組件均為無鉛，IC 設備和模塊均完全符合歐盟指令 2002/95/EC。

5.2 設備特性與額定值

• 絕對最大額定值：包括存儲溫度（-65°C 至 150°C）、地板壽命（在工廠環(huán)境下 168 小時，符合 IPC/JEDEC J - STD - 033A MSL 3 級標準）、環(huán)境溫度（通電時 -40°C 至 85°C）、Vcc 電源電壓（-0.5 至 +6.00V）、直流輸入電壓（USBDP 和 USBDM 為 -0.5 至 +3.8V，高阻抗雙向為 -0.5 至 +(Vcc +0.5)V，其他輸入為 -0.5 至 +(Vcc +0.5)V）、直流輸出電流（輸出為 24mA，低阻抗雙向為 24mA）、功率耗散（Vcc = 5.25V 時為 500mW）。若設備存儲超出包裝時間限制，使用前應進行烘烤，升溫至 125°C 并烘烤長達 17 小時。
• 直流特性：包括 VCC 工作電源電壓（3.3 - 5.25V）、VCCIO 工作電源電壓（1.8 - 5.25V）、工作電源電流（正常工作時為 15mA，USB 掛起時為 50 - 100μA）、輸出電壓高（不同條件下有不同值）、輸出電壓低（不同條件下有不同值）、輸入開關閾值（不同條件下有不同值）、輸入開關滯后（不同條件下有不同值）等。
• EEPROM 可靠性特性：FT232R 的內部 1024 位 EEPROM 數(shù)據(jù)保留時間為 15 年，讀寫周期為 100,000 次。
• 內部時鐘特性：內部時鐘振蕩器的工作頻率為 11.98 - 12.02MHz，時鐘周期為 83.19 - 83.47ns，占空比為 45 - 55%。

六、模塊配置

6.1 總線供電配置

EVAL232R 模塊可由 USB 總線的 5V 電源供電，VCCIO 可根據(jù)需要連接到 VCC 或 VCC3O，以提供 5V 或 3.3V 輸出電平。USB 總線供電設備有一些基本規(guī)則，如插入 USB 時電流不超過 100mA，USB 掛起時電流不超過 500μA 等。

6.2 自供電配置

EVAL232R 模塊本身不設計用于