FTDI UMFT231XE：USB到全握手UART開發(fā)模塊的全方位解析

在電子設(shè)計領(lǐng)域，一款性能卓越、功能豐富的模塊能為工程師們的項目帶來極大的便利與可能性。今天，我們就來深入剖析FTDI的UMFT231XE USB到全握手UART開發(fā)模塊，看看它究竟有哪些獨特之處。

文件下載：UMFT231XE-01.pdf

一、模塊概述

UMFT231XE是一款專為FTDI的FT231XQ設(shè)計的開發(fā)模塊，屬于FTDI USB接口橋接集成電路設(shè)備系列。它是一個具有0.6”行間距的USB到串行全握手UART雙列直插式（DIP）模塊。該模塊設(shè)計用于插入標(biāo)準(zhǔn)的0.6”寬20引腳DIP插座，且所有組件包括FT231XQ均為無鉛（符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)）。

1.1 主要特性

• 基于FT231XQ：具備FT231X的所有特性，具體可參考FT231X的數(shù)據(jù)手冊。
• 小巧設(shè)計：采用小型PCB組裝模塊，適配標(biāo)準(zhǔn)15.24mm（0.6”）寬20引腳DIP插座，引腳間距為2.54mm（0.1”）。
• 便捷連接：板載USB “mini - B”插座，可通過標(biāo)準(zhǔn)A到mini - B USB電纜連接到PC。
• 功能可配置：使用跳線進行功能配置，默認(rèn)跳線設(shè)置可使模塊在無需外圍電線或應(yīng)用板的情況下正常工作，其他配置可實現(xiàn)外部電源供應(yīng)選項和邏輯參考電平的變化。

二、驅(qū)動支持

UMFT231XE提供了豐富的驅(qū)動支持，包括免版稅的虛擬COM端口（VCP）驅(qū)動和D2XX直接驅(qū)動（USB驅(qū)動 + DLL軟件接口），支持多種操作系統(tǒng)，如Windows 7（32位和64位）、Windows Vista、Windows XP（32位和64位）、Windows XP Embedded、Windows CE.NET 4.2、5.0和6.0、MAC OS OS - X、Linux 3.0及更高版本以及Android。這些驅(qū)動均可從www.ftdichip.com免費下載，同時還有各種第三方驅(qū)動適用于其他操作系統(tǒng)，具體詳情可訪問該網(wǎng)站。

三、訂購信息

四、信號與配置

4.1 引腳輸出

文檔中的圖4.1展示了DIP引腳的可用信號，清晰地呈現(xiàn)了各個引腳的分布和連接情況。

4.2 信號描述

4.3 CBUS信號選項

CBUS I/O引腳有多種可配置選項，這些選項都可使用從www.ftdichip.com下載的FT_PROG實用軟件在內(nèi)部MTP ROM中進行配置。默認(rèn)配置在文檔第9節(jié)有描述，具體選項如下：

• 三態(tài)（Tristate）：CBUS0 - CBUS3的IO焊盤處于三態(tài)。
• DRIVE_1：輸出恒定的1。
• DRIVE_0：輸出恒定的0。
• TXDEN：為RS485啟用發(fā)送數(shù)據(jù)。
• PWREN#：設(shè)備通過USB配置后輸出為低電平，USB掛起模式期間為高電平，可用于控制外部邏輯的電源。
• TXLED#：USB發(fā)送數(shù)據(jù)時，開漏脈沖拉低以驅(qū)動LED。
• RXLED#：USB接收數(shù)據(jù)時，開漏脈沖拉低以驅(qū)動LED。
• TX&RXLED#：USB發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時，開漏脈沖拉低以驅(qū)動LED。
• SLEEP#：USB掛起模式期間為低電平，通常用于在USB到RS232轉(zhuǎn)換器設(shè)計中關(guān)閉外部邏輯到RS232電平轉(zhuǎn)換器IC的電源；連接到專用充電器端口時可取消該選項。
• CLK24MHz、CLK12MHz、CLK6MHz：分別輸出24MHz、12MHz和6MHz時鐘信號（USB掛起模式下時鐘輸出也會掛起）。
• GPIO：CBUS位敲擊模式選項，允許最多4個CBUS引腳用作通用I/O，在內(nèi)部MTP ROM中為CBUS0、CBUS1、CBUS2和CBUS3分別配置。
• BCD_Charger：指示設(shè)備連接到專用電池充電器主機，高電平有效輸出，需要10K下拉電阻以消除上電時的抖動。
• BCD_Charger#：低電平有效的BCD充電器，由開漏接地驅(qū)動，無內(nèi)部上拉電阻（板載4.7K上拉電阻）。
• BitBang_WR#：同步和異步位敲擊模式的WR#選通輸出。
• BitBang_RD#：同步和異步位敲擊模式的RD#選通輸出。
• VBUS_Sense：檢測VBUS是否存在的輸入。
• Time_Stamp：每次收到USB SOF時狀態(tài)改變的Toggle信號。
• Keep_Awake#：低電平有效輸入，防止芯片進入掛起狀態(tài)。

五、模塊配置

5.1 跳線配置選項

• JP1：
  • 短路（默認(rèn)）：將內(nèi)部3.3V穩(wěn)壓器連接到VCCIO，限制信號驅(qū)動僅為3.3V電平信號。
  • 斷開：斷開內(nèi)部3.3V穩(wěn)壓器與VCCIO的連接，允許從外部電源供應(yīng)1.8V - 3.3V電源，從而處理邏輯電平在1.8V至3.3V之間的信號，VCCIO可調(diào)整以匹配外部電路的接口要求。
• JP2：
  • 短路（默認(rèn)）：將VBUS連接到VCC，此模式為“USB供電”模式。
  • 斷開：斷開VBUS與VCC的連接，允許從外部電源供電，此模式為“自供電”模式。

5.2 總線供電配置

默認(rèn)情況下，UMFT231XE配置為總線供電模式，從USB主機/集線器獲取電源。圖5.1展示了典型的USB總線供電設(shè)計配置，默認(rèn)情況下VCCIO連接到3V3OUT，VCC連接到VBUS。在總線供電配置中，+5V VBUS電源從USB總線獲取并連接到FT231X的電源輸入（VCC），+3.3V電源從FT231X的電壓調(diào)節(jié)器輸出獲取并連接到FT231X IO端口的電源輸入（VCCIO）。與微控制器（MCU）或其他邏輯設(shè)備進行接口時，與自供電配置的方式相同，只是MCU或外部設(shè)備可以從USB總線獲取電源（USB引腳的5V或3V3OUT引腳的3.3V）。

5.3 自供電配置

自供電配置的原理是從外部電源獲取電力，而不是從USB主機獲取。在這種配置下，不從USB總線吸取電流。圖5.2展示了典型的USB自供電配置，此時移除JP1的跳線連接，允許從外部源向模塊的VCC引腳提供5V電源，VCCIO可以由3V3OUT或外部源的VCC供電。為防止連接的USB主機或集線器斷電時電流回流到USB數(shù)據(jù)線，UMFT231XE使用板載分壓器網(wǎng)絡(luò)連接到USB總線和RESET#引腳。當(dāng)VBUS線無電源時，F(xiàn)T231X將通過弱下拉自動保持復(fù)位狀態(tài)；當(dāng)施加電源時，分壓器將施加弱3.3V上拉。向UMFT231XE的RESET#引腳驅(qū)動電平將覆蓋分壓器的效果。當(dāng)FT231X處于復(fù)位狀態(tài)時，連接到數(shù)據(jù)線的USB DP信號上拉電阻將斷開，USB線上不會有電流流動。

5.4 USB總線供電帶電源切換配置

USB總線供電模式在5.2節(jié)已有介紹，本節(jié)介紹如何使用帶電源開關(guān)的總線供電模式。USB總線供電電路在USB掛起模式下連接到主機或集線器時，根據(jù)USB合規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，消耗電流應(yīng)小于2.5mA（未枚舉且未掛起時小于100mA）。PWREN# CBUS功能可在FT231X未枚舉時移除外部電路的電源。要使用PWREN#實現(xiàn)電源開關(guān)，可按圖5.3所示配置P溝道功率MOSFET，使其具有軟啟動功能，通過安裝10K上拉電阻、1K串聯(lián)電阻和100nF電容。將P溝道MOSFET的源極連接到3V3OUT而不是VBUS，可使外部邏輯從FT231X獲取3.3V電源而不違反USB合規(guī)性。在此設(shè)置中，VCCIO不應(yīng)從該MOSFET的漏極獲取電源，因為驅(qū)動該晶體管柵極的電源來自VCCIO，VCCIO應(yīng)直接連接到3V3OUT以確保設(shè)置有效。此外，外部邏輯和FT231X的IO核心消耗的電流不得超過50mA，因為內(nèi)部3.3V穩(wěn)壓器的電流限制為50mA。

5.5 可變IO電壓供應(yīng)

FT231X可以處理CMOS/TTL邏輯電平在1.8V至3.3V范圍內(nèi)的信號。圖5.4展示了FT231X與IO工作在1.8V - 3.3V范圍內(nèi)的設(shè)備進行接口的配置。該模塊的IO端口需要以與其處理的信號電平相等的電壓供電，由于FT231X的嵌入式電壓調(diào)節(jié)器僅輸出3V3，因此在工作電壓不是3.3V時，IO端口需要從其他電源獲取電力。默認(rèn)情況下，3V3OUT（嵌入式電壓調(diào)節(jié)器）和VCCIO（IO端口的電源輸入）之間通過JP1連接短路。如果使用外部電源為IO端口供電，則需要斷開該跳線。此配置可在總線供電模式或自供電模式下實現(xiàn)。需要注意的是，CBUS和DBUS引腳可承受5V電壓，但這些信號不能驅(qū)動5V TTL/CMOS信號；VCCIO不耐受5V，施加5V到VCCIO會損壞芯片。如果向VCCIO供電而不向VCC供電，所有IO將處于未知狀態(tài)，但不會損壞芯片，F(xiàn)T231X還具有保護電路，可防止芯片因VCCIO與處理信號電平之間的電壓差異而損壞。在使用FTDI X芯片系列的芯片且VCCIO小于3V3時，建議在數(shù)據(jù)線上使用上拉電阻（47K）到VCCIO，所有UMFT2xxXE設(shè)備都包括板載上拉電阻。

5.6 3.3V電壓供應(yīng)

FT231X可以由單一3.3V電源供電，這是標(biāo)準(zhǔn)自供電配置中FT231X以5V供電的替代方案。圖5.5展示了3.3V自供電配置，注意3.3V輸入連接到VCC、VCCIO和3V3OUT。

5.7 配置MTP ROM

FT231X包含嵌入式MTP ROM，可用于配置每個CBUS引腳的功能、每個信號引腳的電流驅(qū)動、USB總線的電流限制以及設(shè)備的其他描述符。有關(guān)使用MTP ROM/EEPROM編程實用程序FT_PROG的詳細信息，請參閱FT_PROG用戶指南。編程MTP ROM時需要注意：

• 可以在內(nèi)部MTP ROM中將一個CBUS引腳配置為PWREN#，用于切換外部電路的電源供應(yīng)。
• MTP ROM的最大總線功率設(shè)置應(yīng)指定枚舉時從USB主機/集線器吸取的最大電流。對于高功率USB設(shè)備，枚舉時的電流限制在100mA至500mA之間；對于低功率USB設(shè)備，電流限制為100mA。

六、模塊尺寸

文檔中的圖6.1展示了UMFT231XE模塊的尺寸，所有尺寸均以毫米為單位。該模塊僅使用無鉛組件，完全符合歐盟指令2002/95/EC。

七、模塊電路原理圖

文檔中的圖7.1展示了模塊的電路原理圖，清晰地呈現(xiàn)了模塊內(nèi)部的電路連接和信號流向。

八、內(nèi)部MTP ROM配置

內(nèi)部MTP ROM可以