FTDI UM232R USB - Serial UART開發(fā)模塊深度解析

在電子設計領域，USB - Serial UART接口模塊是實現設備通信的關鍵組件。FTDI的UM232R USB - Serial UART開發(fā)模塊以其豐富的功能和出色的性能，成為眾多工程師的首選。今天，我們就來深入了解一下這款模塊。

文件下載：UM232R.pdf

一、模塊概述

UM232R是一款開發(fā)模塊，采用了FTDI的FT232RL芯片。該芯片是USB到串行UART接口，具備可選的時鐘發(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。與前代產品相比，FT232RL新增了兩項功能，在某些應用領域堪稱“三合一”芯片。

模塊內部可生成6MHz、12MHz、24MHz和48MHz的時鐘，可用于驅動微控制器或外部邏輯。同時，每個設備在制造時都會被燒錄一個唯一的FTDIChip - ID?，可通過USB讀取，為保護客戶應用程序軟件不被復制提供了保障。

UM232R模塊采用PCB設計，可插入標準的0.6英寸寬24引腳DIP插座，且所有組件均為無鉛（符合RoHS標準）。

二、典型應用

UM232R模塊的應用范圍十分廣泛，涵蓋了多個領域：

1. 通信轉換：可用于USB到RS232 / RS422 / RS485的轉換器，實現不同通信協議之間的轉換。
2. 設備升級：將傳統外設升級為支持USB接口，提高設備的兼容性和通用性。
3. 數據傳輸：在手機、PDA、MP3播放器等設備的數據傳輸中發(fā)揮重要作用。
4. 智能設備：如USB智能卡讀卡器、條形碼閱讀器等。
5. 工業(yè)控制：用于USB工業(yè)控制和儀器儀表。
6. 多媒體應用：支持USB音頻和低帶寬視頻數據傳輸。

三、驅動支持

UM232R模塊提供了免費的VIRTUAL COM PORT (VCP)驅動和D2XX Direct驅動，支持多種操作系統，包括Windows、MAC OS和Linux等。這些驅動可從www.ftdichip.com免費下載，同時還有第三方驅動可供選擇。

四、模塊特性

UM232R模塊具有以下顯著特性：

1. 單芯片解決方案：實現USB到UART的同步串行數據傳輸，無需進行USB特定的固件編程。
2. 靈活的UART配置：支持7或8位數據位、1或2位停止位以及多種奇偶校驗方式。
3. 高效的數據傳輸：數據傳輸速率從300波特到3兆波特（RS422 / RS485和TTL電平）和300波特到1兆波特（RS232）。
4. 免費驅動：FTDI的VCP和D2XX驅動消除了大多數情況下USB驅動開發(fā)的需求。
5. 事件字符和線路中斷支持：內置對事件字符和線路中斷條件的支持。
6. 安全特性：具備USB FTDIChip - ID?功能，可用于軟件授權保護。
7. 可配置的CBUS引腳：5個可配置的控制總線（CBUS）引腳，可實現多種功能。
8. 時鐘輸出：提供48MHz、24MHz、12MHz和6MHz的時鐘輸出信號，可驅動外部MCU或FPGA。
9. 數據緩沖：具有接收和發(fā)送緩沖區(qū)，確保高數據吞吐量。
10. 低功耗設計：支持USB掛起和恢復，降低功耗。
11. 集成EEPROM：1024位內部EEPROM可存儲USB VID、PID、序列號和產品描述字符串等信息。
12. 多種供電方式：支持總線供電、自供電和高功率總線供電配置。
13. 電平轉換：集成3.3V和UART/CBUS電平轉換器，可實現5V - 1.8V邏輯接口。
14. 高輸出驅動：UART接口和CBUS I/O引腳可提供高輸出驅動能力。
15. 抗干擾性能：降低了操作電流和改善了片上VCC去耦，提高了EMI性能。
16. 寬溫度范圍：工作溫度范圍為 - 40°C至85°C，適用于各種環(huán)境。

五、FT232RL芯片特性與改進

1. 集成時鐘電路

前代FTDI的USB UART設備需要外部晶體或陶瓷諧振器，而FT232RL將時鐘電路集成到芯片中，無需外部晶體或諧振器。不過，也可選擇使用外部12MHz晶體作為時鐘源。

2. 集成EEPROM

前代設備若要使用非默認的USB Vendor ID (VID)、Product ID (PID)、序列號和產品描述字符串，需要外部EEPROM。FT232RL將EEPROM集成到芯片中，所有設計都可選擇更改產品描述字符串，并且內部EEPROM可通過USB進行編程，無需額外電壓。

3. 預編程EEPROM

FT232R的內部EEPROM預編程了唯一的序列號，大多數情況下無需對設備EEPROM進行編程。

4. 集成USB電阻

前代設備需要在USBDP和USBDM線上使用兩個外部串聯電阻，以及在USBDP上使用1.5kΩ上拉電阻。FT232RL將這三個電阻集成到芯片中。

5. 集成AVCC濾波

前代設備有一個單獨的AVCC引腳，需要外部R - C濾波器。FT232RL將AVCC引腳內部連接到VCC，并將濾波器集成到芯片中。

6. 減少外部組件

晶體、EEPROM、USB電阻和AVCC濾波器的集成，與FT232BM前代產品相比，大大降低了USB接口設計的物料成本。

7. 可配置CBUS I/O引腳選項

有5條可配置的控制總線（CBUS）線，可配置為多種功能，如RS485傳輸使能、電源控制、LED驅動、時鐘輸出等。通過設置內部EEPROM中的位，可選擇不同的輸出選項。

8. 增強的異步位操作模式

FT232R支持FTDI的BM芯片位操作模式，并且增強了該模式，將內部RD#和WR#選通信號引出，可用于外部邏輯的時鐘控制。

9. 同步位操作模式

同步位操作模式與異步位操作模式不同，只有在設備寫入時才讀取接口引腳，便于控制程序測量輸出刺激的響應。

10. CBUS位操作模式

允許將4個CBUS引腳單獨配置為GPIO引腳，可在UART接口使用時同時使用，提供多達4個通用I/O引腳。

11. 更低的供電電壓

前代芯片需要5V供電，FT232R的VCC供電范圍為4.0V至5.25V。

12. 集成電平轉換器

UART接口和控制信號集成了電平轉換器，VCCIO引腳供電范圍為1.8V至5V，可直接連接不同邏輯電平的設備。

13. 集成上電復位電路

設備內置上電復位（POR）功能，RESET#引腳可用于外部邏輯復位FT232R。

14. 更低的操作和掛起電流

設備操作供電電流降至15mA，掛起電流降至約70μA，為外設設計提供了更大的電流余量。

15. 低USB帶寬消耗

USB接口的設計盡量減少了對USB主機控制器總帶寬的占用。

16. 高輸出驅動選項

UART接口和CBUS I/O引腳可提供三倍標準信號驅動電平，可驅動多個設備或需要更大信號驅動強度的設備。

17. 電源管理控制

PWREN#信號可用于直接驅動晶體管或P - 通道MOSFET，實現外部電路的電源開關控制。

18. UART引腳信號反轉

可通過設置內部EEPROM中的選項，單獨反轉8個UART信號的極性。

19. FTDIChip - ID?

每個FT232R都有一個唯一的ID號，可用于軟件授權保護，通過加密和驗證機制確保許可證的有效性。

20. 改進的EMI性能

降低的操作電流和改進的片上VCC去耦，顯著提高了PCB設計滿足FCC、CE等EMI相關規(guī)范的要求。

21. 可編程接收緩沖區(qū)超時

接收緩沖區(qū)超時可用于清除接收緩沖區(qū)中的剩余數據，默認值為16ms，可通過USB以1ms為增量從1ms到255ms進行編程。

22. 波特率支持

支持300波特到3兆波特的所有標準和非標準波特率，可根據需要計算并設置所需的波特率。

23. 擴展的工作溫度范圍

FT232R可在 - 40o至 + 85o C的溫度范圍內工作，適用于汽車和工業(yè)應用。

24. 封裝選項

FT232R有兩種封裝可供選擇：28引腳SSOP（FT232RL）和5mm x 5mm無引腳QFN - 32封裝（FT232RQ），均為無鉛封裝，符合歐盟指令2002/95/EC。

六、引腳輸出與信號描述

1. 引腳輸出

UM232R模塊的引腳布局如圖4.1所示，包含TXD、DTR#、RTS#、VIO、RXD等多個引腳，各引腳具有不同的功能。

2. 信號描述

詳細介紹了每個引腳的類型和功能，如TXD為異步數據輸出引腳，DTR#為數據終端就緒控制輸出/握手信號等。同時，還說明了一些引腳在不同供電模式和操作狀態(tài)下的使用方法和注意事項。

3. 跳線配置選項

通過跳線J1和J2可實現不同的配置，如選擇3V3或5V I/O、總線供電或自供電等。

4. CBUS信號選項

CBUS I/O引腳可配置為多種信號選項，如TXDEN#、PWREN#、TXLED#等，可通過內部EEPROM進行配置。

七、模塊尺寸

UM232R模塊的尺寸如圖5.1所示，所有尺寸以毫米為單位，括號內為英寸值，僅作參考。FT232RL采用符合RoHS標準的28引腳SSOP封裝，模塊使用的所有組件均為無鉛，符合歐盟指令2002/95/EC。

八、FT232RL設備特性與評級

1. 絕對最大額定值

規(guī)定了FT232R設備的絕對最大額定值，包括存儲溫度、環(huán)境溫度、電源電壓、輸入電壓、輸出電流和功耗等參數，超過這些值可能會導致設備永久性損壞。

2. DC特性

詳細說明了FT232R在不同環(huán)境溫度下的DC特性，包括VCC和VCCIO的工作電壓、工作電流、輸出電壓、輸入開關閾值和滯回等參數。

3. EEPROM可靠性特性

內部1024位EEPROM的數據保留時間為15年，讀寫周期為100,000次。

4. 內部時鐘特性

內部時鐘振蕩器的工作頻率為11.98 - 12.02 MHz，時鐘周期為83.19 - 83.47 ns，占空比為45 - 55%。

九、模塊配置

1. 總線供電配置

UM232R模塊默認采用總線供電配置，通過在J2上安裝跳線即可實現?？偩€供電設備從USB總線獲取電源，需滿足一定的電流要求。

2. 自供電配置

自供電配置中，移除J2上的跳線，并將外部電源連接到模塊的VCC引腳。自供電設備有自己的電源供應，不從USB總線吸取電流。

3. 帶電源開關的USB總線供電配置

為滿足USB掛起模式下的電流要求，可使用P - 通道邏輯電平MOSFET或專用電源開關IC控制外部電路的電源。同時，需注意一些功率控制設計的要點。

4. 帶3.3V邏輯驅動/IO電源電壓的總線供電配置

通過跳線開關可使FT232R與3.3V或5V邏輯設備接口。在總線供電設計中，需考慮一些特殊要求，如使用PWREN#或SLEEP’信號控制外部邏輯的電源，以及選擇合適的調節(jié)器。

十、內部EEPROM配置

FT232R在上電復位或USB復位后，會掃描其內部EEPROM并讀取存儲的USB配置描述符。默認配置包括USB Vendor ID (VID)、Product ID (PID)、序列號、USB掛起下拉I/O引腳、制造商名稱、產品描述等信息。用戶可使用FT_PROG實用程序通過USB對內部EEPROM進行編程。

十一、聯系信息

FTDI提供了多個地區(qū)的分支機構聯系方式，包括英國格拉斯哥總部、美國俄勒岡州蒂加德分公司、中國臺灣臺北分公司和中國上海分公司。用戶可通過電話、傳真和電子郵件與FTDI聯系，獲取銷售、支持和一般咨詢等服務。

FTDI的UM232R USB - Serial UART開發(fā)模塊憑借其豐富的功能、出色的性能和靈活的配置選項，為電子工程師提供了一個強大的解決方案。在實際應用中，工程師可根據具體需求選擇合適的配置和功能，以實現高效、穩(wěn)定的設備通信。你在使用UM232R模塊時遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗和見解。