基于FT2232H的USB-RS232转换模块设计方案

　　引言

　　在现代电子系统中，USB（通用串行总线）因其高速、即插即用和广泛兼容性已成为数据通信的主流接口。然而，传统的RS-232串行接口在工业控制、调试和一些遗留设备中仍然占据重要地位。为了实现USB与RS-232设备之间的数据通信，设计一个高效、可靠的USB-RS232转换模块变得至关重要。本设计方案将详细探讨如何利用FTDI公司的FT2232H高性能USB转多功能串行/并行接口芯片来构建一个功能强大的USB-RS232转换模块。FT2232H凭借其双路独立串行接口、高速USB 2.0兼容性以及灵活的配置选项，成为此类应用的首选。

　　核心芯片选择：FT2232H

　　选择FT2232H作为核心芯片的原因在于其卓越的性能和灵活性。与单通道USB转串口芯片（如FT232R）相比，FT2232H提供了两个独立的UART/FIFO通道（Port A和Port B），每个通道都可以独立配置为UART、FIFO、JTAG、SPI、I2C等多种模式。这使得一个模块可以同时支持两个独立的RS-232接口，或者一个RS-232接口用于数据传输，另一个接口用于JTAG/SPI调试等，大大增加了模块的功能性和应用范围。

　　FT2232H的主要特点和选择理由：

　　高速USB 2.0兼容性： 支持高速（High-Speed）USB 2.0，数据传输速率高达480Mbps，确保了RS-232转换的高吞吐量，即使在较高波特率下也能稳定工作。

　　双路多功能接口： 具有两个独立的通用异步收发器（UART）/同步FIFO（FIFO）模块，每个模块都可以独立配置为多种模式，如UART、FIFO、JTAG、SPI、I2C等。这使得一个模块可以灵活地支持多个串行接口或组合不同功能。

　　集成式EEPROM： 内部集成了可编程EEPROM，允许用户自定义USB VID（Vendor ID）、PID（Product ID）、序列号、产品描述字符串以及各种I/O配置，极大地简化了设备识别和驱动安装。

　　可配置的I/O引脚： 大部分引脚是多功能的，可以配置为通用输入/输出（GPIO）引脚，为用户提供额外的控制能力。

　　低功耗： 芯片设计考虑了功耗效率，适用于各种应用场景。

　　成熟的驱动支持： FTDI提供广泛的驱动程序支持，兼容Windows、Linux、macOS等主流操作系统，易于开发和部署。

　　FTDI VCP（Virtual COM Port）驱动： 允许FT2232H在操作系统中虚拟出标准的COM端口，使现有支持RS-232的应用程序无需修改即可直接与USB接口通信。

　　FTDI D2XX直接驱动： 提供了更底层的API，允许开发者直接控制芯片的各种功能，适用于需要更高性能或定制化操作的应用。

　　电源管理单元

　　一个稳定可靠的电源是任何电子模块正常工作的基石。FT2232H通常需要3.3V和1.8V两种电源电压。

　　推荐元器件：

　　USB供电保护：

　　作用： 放置在USB数据线（D+，D-）和VBUS线上，用于吸收静电放电（ESD）脉冲，保护USB控制器免受静电损坏。

　　选择理由： USB接口是人体接触的常见端口，极易受到ESD攻击。ESD保护器件能够将高压ESD能量导向地，确保芯片的长期可靠性。

　　作用： 连接在USB VBUS线路上，当电流过载或短路时，其电阻会迅速增加，限制电流，从而保护USB主机端口和下游电路。故障排除后，它会自动恢复导通状态。

　　选择理由： 相较于一次性保险丝，自恢复保险丝无需更换，提供更便捷的过流保护，提高了产品的可靠性和用户体验。

　　自恢复保险丝（PTC Thermistor）： 例如，Bourns MF-MSMF系列的自恢复保险丝。

　　ESD保护二极管阵列： 例如，Nexperia PESD5V0X1BT或ON Semiconductor RClamp0524P.

　　低压差线性稳压器（LDO）：

　　作用： 为FT2232H的核心逻辑和USB收发器提供1.8V电压。

　　选择理由： 许多现代高速数字芯片内部需要更低的电压来降低功耗和提升性能。选择具有低噪声和快速瞬态响应的LDO对于保证芯片稳定工作至关重要。

　　作用： 将USB提供的5V电压转换为FT2232H及其周边电路所需的3.3V工作电压。

　　选择理由： MCP1700系列具有低静态电流、低压差和良好的线路/负载调整率，适用于电池供电或对功耗敏感的应用。AMS1117是通用且成本效益高的选择。

　　3.3V LDO： 例如，Microchip MCP1700-3302E/TO或AMS1117-3.3.

　　1.8V LDO： 例如，Microchip MCP1700-1802E/TO或NXP TLV70018DQNT.

　　去耦电容：

　　作用： 在LDO的输入和输出端以及FT2232H的电源引脚附近放置陶瓷去耦电容（例如100nF和10uF）。

　　选择理由： 去耦电容能够滤除电源线上的高频噪声，提供瞬时电流，确保芯片在快速开关时有稳定的电源供应，防止电压跌落，提高系统稳定性。

　　USB接口部分

　　USB接口是模块与主机PC通信的物理层。

　　推荐元器件：

　　USB Type-B或Micro-USB连接器：

　　作用： 提供物理接口，连接USB线缆。

　　选择理由： Type-B接口坚固耐用，常用于需要频繁插拔的设备；Micro-USB则体积小巧，常用于便携式设备。选择时需考虑机械强度、成本和PCB空间。

　　ESD保护二极管阵列： 同电源管理部分所述，在D+和D-线上也需要额外的ESD保护。

　　RS-232电平转换电路

　　FT2232H的UART引脚输出的是TTL/CMOS电平（3.3V），而RS-232标准要求±5V到±15V的电压摆幅。因此，需要一个电平转换芯片来实现TTL到RS-232以及RS-232到TTL的转换。

　　推荐元器件：

　　RS-232收发器： 例如，Maxim MAX3232或Texas Instruments SN75C3232.

　　单电源供电： 大部分MAX3232系列芯片只需3.0V至5.5V单电源供电，简化了电源设计。

　　低功耗： 静态电流低，适用于功耗敏感的应用。

　　集成电荷泵： 无需额外的负电压供电，通过内部电荷泵产生RS-232所需的正负电压。

　　成熟稳定： 是RS-232电平转换领域的事实标准芯片，可靠性高，广泛应用于各种产品。

　　兼容性： 良好的兼容性，支持标准RS-232通信协议。

　　作用： MAX3232是双路RS-232收发器，仅需少量外部电容即可将3.3V TTL/CMOS电平转换为符合RS-232标准的电压电平，反之亦然。它集成电荷泵，无需外部负电源。

　　选择理由：

　　外部电容： MAX3232通常需要几个100nF到1uF的电容作为电荷泵的储能和滤波。选择陶瓷电容，因其ESR（等效串联电阻）低，性能好。

　　RS-232连接器：

　　DB9连接器（D-sub 9针）： 最常见的RS-232接口，有公头和母头之分。

　　作用： 提供物理连接到RS-232设备。

　　选择理由： DB9是RS-232接口的行业标准，保证了广泛的兼容性。

　　时钟电路

　　FT2232H需要一个外部晶体振荡器提供时钟源。

　　推荐元器件：

　　晶体振荡器： 12MHz无源晶体。

　　作用： 为FT2232H提供精确的时钟基准。FT2232H内部集成晶体振荡器电路，只需连接外部晶体和匹配电容。

　　选择理由： 12MHz是FTDI芯片的标准工作频率，能够保证USB全速和高速模式下的精确时序。无源晶体成本低，易于采购。

　　负载电容： 例如，22pF或33pF陶瓷电容。

　　作用： 与晶体配合，构成谐振电路，确保晶体在正确频率下振荡，并提供合适的负载电容以满足晶体的规格要求。

　　选择理由： 具体容值需要根据所选晶体的规格书来确定，以确保晶体能够稳定起振并输出准确的频率。

　　EEPROM（可选，FT2232H内部已集成）

　　虽然FT2232H内部集成了EEPROM，但如果需要更大的存储空间或更灵活的配置，可以考虑外部EEPROM。

　　推荐元器件：

　　EEPROM（SPI或I2C接口）： 例如，Microchip 24LC256（I2C）或Microchip 25LC256（SPI）。

　　作用： 存储USB VID/PID、序列号、产品描述等设备信息，以及自定义的GPIO配置等。

　　选择理由： FT2232H支持通过其多功能引脚连接外部I2C或SPI EEPROM。虽然FT2232H内部集成的EEPROM通常足够，但对于需要频繁更新配置或存储大量自定义数据的应用，外部EEPROM提供了更大的灵活性。

　　指示灯（LED）

　　LED指示灯提供了设备状态的直观反馈。

　　推荐元器件：

　　状态指示LED（电源、发送、接收）： 例如，各色（绿、红、蓝）SMD LED。

　　电源指示灯： 指示模块是否已通电。

　　发送（TX）指示灯： 在数据从USB发送到RS-232时闪烁。

　　接收（RX）指示灯： 在数据从RS-232接收到USB时闪烁。

　　作用：

　　选择理由： 提供直观的用户反馈，便于调试和监控模块工作状态。FT2232H的GPIO引脚可以配置为驱动LED。

　　限流电阻：

　　作用： 与LED串联，限制流过LED的电流，防止LED烧毁，并调整LED的亮度。

　　选择理由： 根据所选LED的正向电压和期望的电流（通常为几毫安）以及FT2232H的IO电压来计算阻值。

　　PCB设计考量

　　一个成功的硬件设计不仅仅是选择正确的元器件，合理的PCB布局也至关重要。

　　电源和地平面： 采用多层板设计，合理规划电源层和地平面，减少电源噪声和地线阻抗，提高信号完整性。

　　信号完整性：

　　USB差分信号线： D+和D-线应走等长、等宽、差分对布线，保持90欧姆差分阻抗匹配，并尽可能远离其他噪声源，以确保高速USB信号的完整性。

　　RS-232信号线： 避免过长走线，尽量减少与其他信号线的串扰。

　　去耦电容放置： 所有电源引脚附近都应放置适当的去耦电容，尽可能靠近芯片引脚，以提供低阻抗的电源路径。

　　散热： 如果LDO或FT2232H在长时间工作时可能发热，应考虑适当的散热措施，如增加铜皮面积。

　　EMC/EMI： 考虑电磁兼容性（EMC）和电磁干扰（EMI）问题，例如在USB接口处增加共模电感，以及良好的地线连接。

　　焊接考虑： 选用合适的封装（如QFN、LQFP），考虑手工焊接或机器焊接的可行性。

　　软件驱动与二次开发

　　FTDI为FT2232H提供了完善的驱动支持和开发工具：

　　VCP驱动： 安装FTDI的虚拟串口驱动后，FT2232H的UART通道会作为标准的COM端口出现在操作系统设备管理器中，用户可以使用任何串口调试工具或应用程序进行通信。

　　D2XX驱动： 对于需要更高级控制或更高性能的应用，FTDI提供了D2XX（Direct Driver）API。通过D2XX库，开发者可以直接访问和控制FT2232H的各种功能，如配置UART参数、读写FIFO、控制GPIO等。这对于开发定制化的应用或高性能数据采集系统非常有用。

　　FT_PROG工具： FT_PROG是FTDI提供的一个免费的EEPROM编程工具，允许用户轻松配置FT2232H内部EEPROM的各种参数，包括USB VID/PID、产品字符串、序列号、GPIO方向等，无需编写代码。

　　总结

　　基于FT2232H的USB-RS232转换模块设计方案，充分利用了FT2232H双通道、高速USB 2.0兼容以及多功能接口的优势。通过精心选择合适的电源管理、USB接口、RS-232电平转换以及时钟等关键元器件，并结合合理的PCB布局设计，可以构建出一个性能稳定、功能强大且兼容性广泛的USB-RS232转换模块。此模块不仅能满足基本的USB到RS-232数据转换需求，更可以根据FT2232H的灵活配置能力，扩展出更多复杂的应用场景，例如同时支持两个RS-232接口，或者结合JTAG/SPI功能进行调试等。未来，随着技术的发展，模块可以进一步集成更高级的保护电路、更小的封装尺寸，甚至考虑无线通信的集成，以满足不断变化的市场需求。