基于FTDI芯片進行USB到UART的轉換設計方案

一、引言

在現代電子設備中，USB（通用串行總線）接口已成為數據傳輸的標準接口之一。然而，在嵌入式系統、工業自動化、設備調試等領域，UART（通用異步收發傳輸器）接口仍然廣泛使用。因此，USB到UART的轉換模塊在這些領域中具有廣泛的應用需求。FTDI（英商飛特帝亞有限公司）作為全球領先的USB芯片和軟件方案提供商，其系列產品在USB到UART轉換方面表現出色。本文將詳細介紹基于FTDI芯片的USB到UART轉換設計方案，包括主控芯片型號、設計原理及作用等。

二、FTDI芯片概述

FTDI是設計和供應USB芯片和軟件方案的專業廠商，其將易于實現的IC設備和經過千錘百煉的免費USB固件和軟件驅動組合起來，提供了實現USB的快捷方式。FTDI的USB單信道和多信道接口可外設成具有易于使用特性的UART或FIFO界面，這些現行的設備可用于傳統USB至RS232/RS422轉換器應用，也可用于MCU、PLD或FPGA至USB的快速界面。

FTDI的USB轉UART系列芯片包括FT232B、FT232R、FT232H、FT230X、FT231X等，這些芯片內置了USB到UART橋接功能，可以輕松地與微控制器進行交互。此外，FTDI還提供了豐富的軟件支持，包括驅動程序、開發工具包和示例代碼，使得用戶能夠方便地在Windows、Linux和macOS等平臺上使用這些芯片。

三、主控芯片型號及作用

1. FT232RL

型號介紹：
FT232RL是FTDI的一款經典USB轉UART接口芯片，采用SSOP封裝方式，針腳數為28，工作溫度范圍為-40°C至+85°C。該芯片支持USB 2.0全速（12 Mbps）的數據傳輸速率，電源電壓范圍為3.3V至5.25V。FT232RL內置了USB協議引擎、FIFO緩沖區和時鐘發生器等功能模塊，簡化了電路設計，減少了PCB的空間占用和成本。

在設計中的作用：
FT232RL作為USB轉UART的核心芯片，負責將USB信號轉換為UART信號，從而與微控制器、DSP、FPGA等嵌入式設備進行交互。該芯片支持異步串行通信，常用于與微控制器或其他設備進行串行數據交互。此外，FT232RL還提供了CBUS接口，可用于配置和控制外部設備。

2. FT2232D

型號介紹：
FT2232D是FTDI的一款雙通道USB轉串行通信芯片，廣泛應用于嵌入式系統、工業自動化和設備互聯等領域。該芯片支持雙通道USB到串行/并行接口轉換，能夠實現多種通信協議的橋接，如UART、JTAG、SPI、I2C等。FT2232D通過USB接口與主機設備進行通信，將USB信號轉換為串行或并行信號，從而能夠與微控制器等嵌入式設備進行交互。

在設計中的作用：
FT2232D的雙通道設計使得用戶可以通過一個USB接口同時與兩個串行設備進行通信，提高了通信效率。此外，兩個通道可以分別配置為不同的通信模式，從而適應不同的通信需求。該芯片支持多種標準通信協議，如UART、SPI、I2C、JTAG等，具有很強的適應性。用戶可以通過配置寄存器輕松切換不同的協議，從而滿足不同設備的通信要求。

3. FT232RQ

型號介紹：
FT232RQ是FTDI最新推出的USBUART接口集成電路設備系列之一。該芯片帶有可選的時鐘發生器輸出和新的FTDichipID安全加密狗功能，提供了異步和同步位開關接口模式。通過將外部EEPROM、時鐘電路和USB電阻完全集成到設備上，進一步簡化了USB到串行設計。

在設計中的作用：
FT232RQ在USB到UART轉換中起到了關鍵的作用。其內部產生的時鐘可以從設備中取出，用于驅動微控制器或外部邏輯。此外，該芯片還提供了一個唯一的號碼（FTDichipID），在生產過程中被燒錄到設備中，并且可以通過USB讀取，從而形成了一個安全加密狗的基礎，該加密狗可用于保護客戶應用軟件不被復制。

四、設計原理及實現

1. 電路設計方案

在電路設計方案中，我們通常會關注以下幾個關鍵組成部分：

• USB接口：USB接口是連接到主機（如PC）的物理接口，通常采用Type-A或Type-C形式。USB接口需要遵循USB規范，提供電源和數據傳輸功能。

• USB控制器芯片：USB控制器芯片負責處理USB協議，例如FT232RL或FT2232D等，它們能夠將USB通信協議轉換成UART協議。

• UART接口：UART接口由TX（發送）和RX（接收）兩條線組成，用于與目標設備進行串行通信。在電路設計中，需要確保UART的波特率、數據位、停止位和奇偶校驗設置與目標設備匹配。

• PCB設計：在PCB設計中，需要考慮尺寸和材料，以及大引腳設計以便于調試。此外，還需要添加濾波電路以減少噪聲和提高信號質量。

2. 具體實現步驟

• 選擇芯片：根據應用需求選擇合適的FTDI芯片，如FT232RL、FT2232D或FT232RQ等。

• 設計電路：根據芯片的規格書和電路設計方案，設計電路原理圖，并選擇合適的元器件。

• PCB布局與布線：在PCB設計軟件中完成PCB布局與布線，確保電路板的尺寸、材料和引腳間距等滿足設計要求。

• 焊接與調試：將元器件焊接到電路板上，并進行電路調試，確保電路能夠正常工作。

• 軟件配置：使用FTDI提供的驅動程序和開發工具包對芯片進行配置和調試，確保芯片能夠正確地將USB信號轉換為UART信號。

3. 示例設計

以下是一個基于FT232RL的USB到UART轉換模塊的示例設計：

• 模塊概述：該模塊使用FT232RL芯片作為核心，支持3.3V和5V串行邏輯電平，并使用三個LED指示器進行電源連接、數據傳輸和數據接收。該模塊還支持串行CTS和RTS引腳，以及六個可用于直接控制連接設備的GPIO。

• 電路設計：電路設計包括電源電路、USB接口電路、UART接口電路和GPIO控制電路等。其中，電源電路負責提供穩定的電源電壓；USB接口電路負責與主機設備進行通信；UART接口電路負責與目標設備進行串行通信；GPIO控制電路負責控制外部設備。

• PCB設計：該模塊采用兩層PCB設計，所有組件封裝均為SMD（引腳連接器除外）。在PCB設計中，需要考慮尺寸、材料、引腳間距和濾波電路等因素。

• 軟件配置：使用FTDI提供的“MCP2200配置實用程序”（雖然示例中使用的是MCP2200芯片，但配置過程類似）對FT232RL芯片進行配置。配置內容包括波特率、數據位、停止位和奇偶校驗等參數。

五、結論

基于FTDI芯片的USB到UART轉換設計方案具有廣泛的應用前景。FTDI的系列芯片如FT232RL、FT2232D和FT232RQ等，以其高性能、可靠性和靈活性，成為USB到UART轉換領域的首選。通過合理的電路設計和軟件配置，可以實現高效、穩定的USB到UART轉換，滿足各種嵌入式系統、工業自動化和設備調試等領域的需求。

在實際應用中，需要根據具體的應用場景和需求選擇合適的FTDI芯片，并進行詳細的電路設計和軟件配置。此外，還需要注意電路板的尺寸、材料和引腳間距等因素，以確保電路的穩定性和可靠性。通過不斷優化和改進設計方案，可以進一步提高USB到UART轉換模塊的性能和可靠性，為各種應用提供更加優質的解決方案。