UMFT4222EV：USB2.0 到 QuadSPI/I2C 橋接開發(fā)模塊深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高效且靈活的接口模塊是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵。今天，我們就來深入探討 Future Technology Devices International Ltd 推出的 UMFT4222EV 開發(fā)模塊，它是 USB2.0 到 QuadSPI/I2C 橋接的理想選擇。

文件下載：UMFT4222EV.pdf

一、模塊概述

UMFT4222EV 采用了 FTDI 的 FT4222H 芯片，這是一款高速 USB2.0 到 QuadSPI/I2C 橋接芯片，采用緊湊的 32 引腳 QFN 封裝。該芯片需要一個(gè)外部 12MHz 晶體來驅(qū)動(dòng)內(nèi)部 PLL 工作，支持 3.3V、2.5V 或 1.8V 的多電壓 IO，還提供 128 字節(jié)的一次性可編程（OTP）內(nèi)存空間，用于存儲(chǔ)特定廠商信息。

UMFT4222EV 以小尺寸 PCB 形式提供，可插入標(biāo)準(zhǔn)的 0.8 英寸寬 24 引腳 DIP 插座，所有組件均為無鉛（符合 RoHS 標(biāo)準(zhǔn)）。并且，它完全符合 USB 2.0 規(guī)范，擁有 USB-IF 測(cè)試 ID（TID）10007740。

二、模塊特性

2.1 接口靈活性

• SPI 接口：支持單/雙/四 SPI 主模式，可配置目標(biāo)操作速度。在四數(shù)據(jù)模式下，SPI 模式的數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá) 28Mbps，主模式下最多支持 4 個(gè)從選擇控制引腳，單 SPI 從模式下 SCK 工作頻率最高可達(dá) 20MHz。
• I2C 接口：支持 7 位地址，完全兼容 I2C 主/從模式的 v2.1 和 v3 規(guī)范，可配置目標(biāo)操作速度，包括 100kbit/S 標(biāo)準(zhǔn)模式、400kbit/S 快速模式、1Mbit/S 快速模式加和 3.4Mbit/S 高速模式。

2.2 其他特性

• 可配置 GPIO：通過 USB 總線由應(yīng)用程序軟件控制，方便實(shí)現(xiàn)各種功能。
• USB 功能支持：完全支持 USB2.0 掛起/恢復(fù)和遠(yuǎn)程喚醒，還支持電池充電器檢測(cè)。
• OTP 內(nèi)存：用于存儲(chǔ) USB 廠商 ID（VID）、產(chǎn)品 ID（PID）、設(shè)備序列號(hào)、產(chǎn)品描述字符串和其他各種廠商特定數(shù)據(jù)。
• 電源配置：支持總線供電和自供電兩種模式，板載跳線可用于 FT4222H 配置模式、USB 電源配置和 VCCIO 源選擇。
• 低功耗：USB2.0 低工作和掛起電流，典型活動(dòng)電流為 68mA，典型掛起電流為 375uA。
• 可配置 I/O 引腳驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度：范圍為 4mA（最小值）到 16mA（最大值）。
• 兼容性：與 UHCI / OHCI / EHCI / XHCI 主機(jī)控制器兼容。
• 驅(qū)動(dòng)支持：FTDI 的免版稅 Direct（D2XX）驅(qū)動(dòng)，在大多數(shù)情況下無需進(jìn)行 USB 驅(qū)動(dòng)開發(fā)。

三、FT4222H 芯片特性與增強(qiáng)功能

3.1 功能集成

FT4222H 是一款 USB 2.0 高速（480Mbits/s）到靈活可配置的 SPI/I2C 接口設(shè)備，集成了 +1.8V 和 +3.3V 低壓差（LDO）穩(wěn)壓器以及 12MHz 到 480MHz 的 PLL，還包括上電復(fù)位（POR）、5V 容限的 VBUS 檢測(cè)和 128 字節(jié)的一次性可編程（OTP）內(nèi)存，簡(jiǎn)化了外部電路設(shè)計(jì)，減少了外部組件數(shù)量。

3.2 USB2.0 高速設(shè)備控制器

集成了 USB 協(xié)議引擎，控制物理通用收發(fā)器宏單元接口（UTMI），處理 USB 2.0 高速接口的各個(gè)方面。設(shè)備包含一個(gè)控制端點(diǎn)和 4 對(duì) IN 和 OUT 端點(diǎn)，這些端點(diǎn)可配置為實(shí)現(xiàn)多達(dá) 4 個(gè)獨(dú)立的接口/應(yīng)用，映射到 I2C+GPIO 或 SPI+GPIO。

3.3 高度集成的 USB2.0 到可配置 SPI 橋接

提供 USB2.0 和 SPI 主/從之間的橋接功能，基于 FTDI 的 D2XX 驅(qū)動(dòng)的支持庫 LibFT4222，可輕松將 SPI 配置為主模式或從模式，SPI 總線的操作時(shí)鐘頻率、時(shí)鐘相位和極性、傳輸數(shù)據(jù)位寬模式以及從選擇控制的數(shù)量也可配置。主模式下 SPI 接口的最大操作時(shí)鐘可設(shè)置為 30MHz，從模式下為 20MHz。

3.4 USB 到可配置 I2C 控制器

提供 USB2.0 和 I2C 主/從之間的橋接功能，支持庫 LibFT4222 可輕松將 I2C 配置為主模式或從模式，包括目標(biāo)操作速度和 I2C 總線上的總線協(xié)議。設(shè)備可在常見的 I2C 總線速度下運(yùn)行，還支持時(shí)鐘拉伸以符合 I2C 規(guī)范的 v2.1 和 v3.0。

3.5 可配置 GPIO

FT4222H 中的 GPIO 可通過 USB 由應(yīng)用程序?qū)嵱贸绦蛲耆刂?，?4 個(gè) GPIO 引腳可配置用于不同目的，如掛起指示輸出和遠(yuǎn)程喚醒輸入，信號(hào)驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度和轉(zhuǎn)換速率可通過 USB 廠商命令進(jìn)行配置。

3.6 嵌入式 OTP 內(nèi)存

用于存儲(chǔ) USB 廠商 ID（VID）、產(chǎn)品 ID（PID）、設(shè)備序列號(hào)、產(chǎn)品描述字符串和各種其他 USB 配置描述符，可使用 FTDI 實(shí)用軟件 FT_PROG 進(jìn)行編程。

3.7 電源管理

完全支持 USB2.0 掛起/恢復(fù)和遠(yuǎn)程喚醒，設(shè)備掛起時(shí)，PHY 將進(jìn)入節(jié)能模式，大多數(shù)數(shù)字電路的時(shí)鐘將停止。FT4222H 能夠在 +3.3V 或 +5.0V 電壓下工作，標(biāo)稱工作模式電流為 68mA，標(biāo)稱 USB 掛起模式電流為 375μA，內(nèi)部集成的電平轉(zhuǎn)換器允許接口邏輯在 +1.8V、2.5V 或 +3.3V 下運(yùn)行。

四、引腳輸出與信號(hào)描述

4.1 引腳輸出

UMFT4222EV 模塊的引腳布局清晰，各個(gè)引腳都有明確的功能。具體引腳信息可參考文檔中的詳細(xì)表格。

4.2 信號(hào)描述

• 電源相關(guān)引腳：如 VBUS 提供 5V 電源輸出，VCCIN 用于模塊供電，GND 為模塊接地引腳。
• GPIO 引腳：GPIO0 - GPIO3 可配置為不同功能，如 SPI 主模式下的從選擇引腳、I2C 模式下的時(shí)鐘或數(shù)據(jù)引腳等。
• SPI 相關(guān)引腳：包括時(shí)鐘 SCK、數(shù)據(jù) MISO 和 MOSI、四 SPI 數(shù)據(jù)總線位 IO2 和 IO3 以及從選擇引腳 SS0O 等。
• I2C 相關(guān)引腳：時(shí)鐘 SCL 和數(shù)據(jù) SDA。
• 其他引腳：如 BCD_DET 用于電池充電器檢測(cè)，RESET# 用于復(fù)位 FT4222H。

4.3 跳線配置選項(xiàng)

通過跳線 JP2、JP3、JP8 和 JP9 可進(jìn)行不同的配置，如設(shè)置模式配置位、選擇 VCCIO 電源來源等。

五、模式配置

5.1 模式選擇

FT4222H 有 4 種配置模式，由 {DCNF1, DCNF0} 選擇，通過跳線（JP2 和 JP3）可輕松配置芯片模式，配置更改后需要進(jìn)行芯片復(fù)位或電源循環(huán)。不同模式下，引腳功能會(huì)有所不同，具體可參考文檔中的表格。

5.2 SPI 引腳定義

QuadSPI 功能是一個(gè)完全可配置的 SPI 主/從設(shè)備，通過 LibFT4222 中的 API 可選擇工作模式，SPI 相關(guān)引腳包括時(shí)鐘、數(shù)據(jù)和從選擇引腳等。

5.3 I2C 引腳定義

I2C 功能也是完全可配置的 I2C 主/從設(shè)備，在特定配置模式下，I2C 相關(guān)引腳為時(shí)鐘 SCL 和數(shù)據(jù) SDA。

5.4 GPIO 引腳定義

FT4222H 包含 4 個(gè) GPIO 引腳，可進(jìn)行不同功能的配置，如作為 I2C 的 SCL 或 SDA、SPI 主模式下的從選擇引腳、USB 掛起狀態(tài)輸出或遠(yuǎn)程喚醒輸入等。

5.5 其他引腳定義

UMFT4222EV 還包含 BCD_DET 和 RESET# 信號(hào)引腳，分別用于電池充電器檢測(cè)和復(fù)位 FT4222H。

六、模塊尺寸與電源配置

6.1 模塊尺寸

UMFT4222EV 模塊的尺寸有明確規(guī)定，所有尺寸單位為毫米，公差為 +/-0.2mm。

6.2 電源配置

• 總線供電配置：通過安裝 JP8 和 JP9 上的跳線實(shí)現(xiàn)，模塊默認(rèn)采用此配置。USB 總線供電設(shè)備從 USB 總線獲取電源，有相應(yīng)的電流限制規(guī)則。
• 自供電配置：移除 JP9 上的跳線，并將外部電源連接到模塊的 JP4 引腳 2（VCCIN）。自供電設(shè)備從自身電源獲取電源，不從 USB 總線吸取電流，有自己的使用規(guī)則。
• 使用 FT4222H 內(nèi)部穩(wěn)壓器：通過短接 JP8 引腳 1 和 2，可讓 FT4222H 使用內(nèi)部穩(wěn)壓器，VCCIO 引腳由 FT4222H 內(nèi)部 3.3V 穩(wěn)壓器輸出引腳（VOUT3V3）供電。
• 使用外部電源為 FT4222H IO 供電：移除 JP8 上的跳線，可通過 JP5 引腳 1 為 FT4222H VCCIO 引腳提供外部電源，可接受 3.3V/2.5V/1.8V 供電電壓。

七、內(nèi)部 OTP 內(nèi)存配置

FT4222H 包含內(nèi)部 OTP 內(nèi)存，用于存儲(chǔ) USB 配置描述符、芯片配置數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)。在許多情況下，OTP 內(nèi)存中的默認(rèn)值是合適的，無需重新編程。若需要更改值，可通過 USB 對(duì) OTP 內(nèi)存進(jìn)行編程，對(duì)于 UMFT4222EV 模塊，需要使用 UMFT4222PROG 模塊進(jìn)行編程，編程時(shí)需要在 VPP 引腳提供 6.5V 編程電壓。

八、聯(lián)系信息

文檔中提供了 Future Technology Devices International Ltd 的總部和各分支機(jī)構(gòu)的聯(lián)系信息，包括電話、傳真和電子郵件地址，同時(shí)還提供了網(wǎng)站和經(jīng)銷商及銷售代表的查詢方式。

UMFT4222EV 開發(fā)模塊以其豐富的功能、靈活的配置和低功耗特性，為電子工程師在 USB 到 QuadSPI/I2C 橋接設(shè)計(jì)中提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體需求合理配置模塊的各種參數(shù)和模式，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能和功能。你在使用類似模塊時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享。