基于FTDI芯片进行USB到UART的转换设计方案

一、引言

在现代电子设备中，USB（通用串行总线）接口已成为数据传输的标准接口之一。然而，在嵌入式系统、工业自动化、设备调试等领域，UART（通用异步收发传输器）接口仍然广泛使用。因此，USB到UART的转换模块在这些领域中具有广泛的应用需求。FTDI（英商飞特帝亚有限公司）作为全球领先的USB芯片和软件方案提供商，其系列产品在USB到UART转换方面表现出色。本文将详细介绍基于FTDI芯片的USB到UART转换设计方案，包括主控芯片型号、设计原理及作用等。

二、FTDI芯片概述

FTDI是设计和供应USB芯片和软件方案的专业厂商，其将易于实现的IC设备和经过千锤百炼的免费USB固件和软件驱动组合起来，提供了实现USB的快捷方式。FTDI的USB单信道和多信道接口可外设成具有易于使用特性的UART或FIFO界面，这些现行的设备可用于传统USB至RS232/RS422转换器应用，也可用于MCU、PLD或FPGA至USB的快速界面。

FTDI的USB转UART系列芯片包括FT232B、FT232R、FT232H、FT230X、FT231X等，这些芯片内置了USB到UART桥接功能，可以轻松地与微控制器进行交互。此外，FTDI还提供了丰富的软件支持，包括驱动程序、开发工具包和示例代码，使得用户能够方便地在Windows、Linux和macOS等平台上使用这些芯片。

三、主控芯片型号及作用

1. FT232RL

型号介绍：
FT232RL是FTDI的一款经典USB转UART接口芯片，采用SSOP封装方式，针脚数为28，工作温度范围为-40°C至+85°C。该芯片支持USB 2.0全速（12 Mbps）的数据传输速率，电源电压范围为3.3V至5.25V。FT232RL内置了USB协议引擎、FIFO缓冲区和时钟发生器等功能模块，简化了电路设计，减少了PCB的空间占用和成本。

在设计中的作用：
FT232RL作为USB转UART的核心芯片，负责将USB信号转换为UART信号，从而与微控制器、DSP、FPGA等嵌入式设备进行交互。该芯片支持异步串行通信，常用于与微控制器或其他设备进行串行数据交互。此外，FT232RL还提供了CBUS接口，可用于配置和控制外部设备。

2. FT2232D

型号介绍：
FT2232D是FTDI的一款双通道USB转串行通信芯片，广泛应用于嵌入式系统、工业自动化和设备互联等领域。该芯片支持双通道USB到串行/并行接口转换，能够实现多种通信协议的桥接，如UART、JTAG、SPI、I2C等。FT2232D通过USB接口与主机设备进行通信，将USB信号转换为串行或并行信号，从而能够与微控制器等嵌入式设备进行交互。

在设计中的作用：
FT2232D的双通道设计使得用户可以通过一个USB接口同时与两个串行设备进行通信，提高了通信效率。此外，两个通道可以分别配置为不同的通信模式，从而适应不同的通信需求。该芯片支持多种标准通信协议，如UART、SPI、I2C、JTAG等，具有很强的适应性。用户可以通过配置寄存器轻松切换不同的协议，从而满足不同设备的通信要求。

3. FT232RQ

型号介绍：
FT232RQ是FTDI最新推出的USBUART接口集成电路设备系列之一。该芯片带有可选的时钟发生器输出和新的FTDichipID安全加密狗功能，提供了异步和同步位开关接口模式。通过将外部EEPROM、时钟电路和USB电阻完全集成到设备上，进一步简化了USB到串行设计。

在设计中的作用：
FT232RQ在USB到UART转换中起到了关键的作用。其内部产生的时钟可以从设备中取出，用于驱动微控制器或外部逻辑。此外，该芯片还提供了一个唯一的号码（FTDichipID），在生产过程中被烧录到设备中，并且可以通过USB读取，从而形成了一个安全加密狗的基础，该加密狗可用于保护客户应用软件不被复制。

四、设计原理及实现

1. 电路设计方案

在电路设计方案中，我们通常会关注以下几个关键组成部分：

• USB接口：USB接口是连接到主机（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规范，提供电源和数据传输功能。

• USB控制器芯片：USB控制器芯片负责处理USB协议，例如FT232RL或FT2232D等，它们能够将USB通信协议转换成UART协议。

• UART接口：UART接口由TX（发送）和RX（接收）两条线组成，用于与目标设备进行串行通信。在电路设计中，需要确保UART的波特率、数据位、停止位和奇偶校验设置与目标设备匹配。

• PCB设计：在PCB设计中，需要考虑尺寸和材料，以及大引脚设计以便于调试。此外，还需要添加滤波电路以减少噪声和提高信号质量。

2. 具体实现步骤

• 选择芯片：根据应用需求选择合适的FTDI芯片，如FT232RL、FT2232D或FT232RQ等。

• 设计电路：根据芯片的规格书和电路设计方案，设计电路原理图，并选择合适的元器件。

• PCB布局与布线：在PCB设计软件中完成PCB布局与布线，确保电路板的尺寸、材料和引脚间距等满足设计要求。

• 焊接与调试：将元器件焊接到电路板上，并进行电路调试，确保电路能够正常工作。

• 软件配置：使用FTDI提供的驱动程序和开发工具包对芯片进行配置和调试，确保芯片能够正确地将USB信号转换为UART信号。

3. 示例设计

以下是一个基于FT232RL的USB到UART转换模块的示例设计：

• 模块概述：该模块使用FT232RL芯片作为核心，支持3.3V和5V串行逻辑电平，并使用三个LED指示器进行电源连接、数据传输和数据接收。该模块还支持串行CTS和RTS引脚，以及六个可用于直接控制连接设备的GPIO。

• 电路设计：电路设计包括电源电路、USB接口电路、UART接口电路和GPIO控制电路等。其中，电源电路负责提供稳定的电源电压；USB接口电路负责与主机设备进行通信；UART接口电路负责与目标设备进行串行通信；GPIO控制电路负责控制外部设备。

• PCB设计：该模块采用两层PCB设计，所有组件封装均为SMD（引脚连接器除外）。在PCB设计中，需要考虑尺寸、材料、引脚间距和滤波电路等因素。

• 软件配置：使用FTDI提供的“MCP2200配置实用程序”（虽然示例中使用的是MCP2200芯片，但配置过程类似）对FT232RL芯片进行配置。配置内容包括波特率、数据位、停止位和奇偶校验等参数。

五、结论

基于FTDI芯片的USB到UART转换设计方案具有广泛的应用前景。FTDI的系列芯片如FT232RL、FT2232D和FT232RQ等，以其高性能、可靠性和灵活性，成为USB到UART转换领域的首选。通过合理的电路设计和软件配置，可以实现高效、稳定的USB到UART转换，满足各种嵌入式系统、工业自动化和设备调试等领域的需求。

在实际应用中，需要根据具体的应用场景和需求选择合适的FTDI芯片，并进行详细的电路设计和软件配置。此外，还需要注意电路板的尺寸、材料和引脚间距等因素，以确保电路的稳定性和可靠性。通过不断优化和改进设计方案，可以进一步提高USB到UART转换模块的性能和可靠性，为各种应用提供更加优质的解决方案。