EVAL232R FT232RL USB 转 RS232 评估模块深度解析

在电子设计领域，USB 转 RS232 接口的应用十分广泛。今天我们就来详细探讨一下 FTDI 的 EVAL232R FT232RL USB 转 RS232 评估模块，看看它有哪些独特之处。

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一、模块概述

EVAL232R 是一款针对 FTDI 的 FT232RL USB - 串行 UART 接口 IC 设备的 USB 转 RS232 评估模块。FT232RL 具有可选的时钟发生器输出和 FTDIChip - ID™ 安全加密狗功能，还支持异步和同步位操作模式。它将外部 EEPROM、时钟电路和 USB 电阻集成到设备中，简化了 USB 转串行接口的设计。此外，与前代产品相比，FT232RL 新增了两项功能，可在某些应用领域充当“三合一”芯片。

该模块采用 61.0mm x 32.0mm（2.40” x 1.26”）的 PCB，所有组件，包括 FT232RL 和 RS232 电平转换 IC 均为无铅（符合 RoHS 标准）。

二、典型应用场景

2.1 驱动支持

FTDI 提供了免费的 VIRTUAL COM PORT (VCP) 驱动和 D2XX 直接驱动，支持多种操作系统，如 Windows 各版本、Mac OS、Linux 等，还支持 Android (J2xx)。这些驱动可从 FTDI 网站（www.ftdichip.com）免费下载，此外还有第三方驱动适用于其他操作系统。驱动安装可参考 http://www.ftdichip.com/Documents/InstallGuides.htm 。

2.2 应用领域

该模块可用于多种场景，如将传统外设升级为 USB 接口、USB 音频和低带宽视频数据传输、PDA 与 USB 数据传输、USB 智能卡读卡器、USB 仪器仪表、USB 工业控制、USB MP3 播放器接口、USB 闪存卡读写器、机顶盒与 PC 的 USB 接口、USB 数码相机接口、USB 硬件调制解调器、USB 无线调制解调器、USB 条形码阅读器以及 USB 软件/硬件加密狗等。

2.3 模块特性

• 接口功能：FT232RL 提供单芯片 USB 到异步串行数据传输接口，模块提供 USB 到 RS232 接口，并带有额外的 I/O 引脚。整个 USB 协议由 FT232RL 芯片处理，无需进行 USB 特定的固件编程。
• UART 接口：支持 7 或 8 个数据位、1 或 2 个停止位以及奇/偶/标记/空格/无校验。提供全辅助硬件或 X - On / X - Off 软件握手。
• 数据传输速率：在 RS232 电平下，数据传输速率从 300 波特到 1 兆波特。
• 驱动优势：FTDI 的免费 VCP 和 D2XX 驱动在大多数情况下消除了 USB 驱动开发的需求。
• 其他特性：内置事件字符和线路中断条件支持、新的 USB FTDIChip - ID™ 功能、可配置的 CBUS I/O 引脚、用于指示串行数据传输的收发 LED、新的 48MHz、24MHz、12MHz 和 6MHz 时钟输出信号选项、用于高数据吞吐量的 FIFO 收发缓冲区、可调节的接收缓冲区超时、带有 RD# 和 WR# 选通的同步和异步位操作模式接口选项、新的 CBUS 位操作模式选项、集成 1024 位内部 EEPROM 用于存储 USB VID、PID、序列号和产品描述字符串以及 CBUS I/O 配置、设备预编程有唯一的 USB 序列号、支持 USB 挂起和恢复、模块电源电压来自 VCC，无需外部电源、5V USB 电源可用于为外部设备供电、集成 3.3V 电平转换器用于 USB I/O、UART 和 CBUS 集成电平转换器以连接 5V - 1.8V 逻辑、板载跳线可选择 UART 和 CBUS 接口的 IO 电压、真正的 5V / 3.3V / 2.8V / 1.8V CMOS 驱动输出和 TTL 输入、高 I/O 引脚输出驱动选项、集成 USB 电阻、集成上电复位电路、完全集成的时钟，无需外部晶体、振荡器或谐振器、完全集成的 AVCC 电源滤波，无需单独的 AVCC 引脚和外部 R - C 滤波器、USB 批量传输模式、低工作和 USB 挂起电流、低 USB 带宽消耗、与 UHCI / OHCI / EHCI 主机控制器兼容、USB 2.0 全速兼容、-40°C 至 85°C 扩展工作温度范围、采用微型 61.0mm x 32.0mm（2.40” x 1.26”）PCB，带有 15 个板载插头引脚，可通过标准 USB A 到 B USB 电缆连接到 PC。

三、FT232RQ 特性与改进

3.1 集成电路改进

• 时钟电路：前代 FTDI 的 USB UART 设备需要外部晶体或陶瓷谐振器，而 FT232R 将时钟电路集成到设备中，无需外部晶体或陶瓷谐振器，但也可选择使用外部 12MHz 晶体作为时钟源。
• EEPROM：前代产品若要使用非默认的 USB 厂商 ID (VID)、产品 ID (PID)、序列号和产品描述字符串，需要外部 EEPROM。现在 FT232R 将外部 EEPROM 集成到芯片中，所有设计都可选择更改产品描述字符串，内部 EEPROM 有用户区域可存储额外数据，且可通过 USB 在电路中编程，无需额外电压。
• USB 电阻：前代产品在 USBDP 和 USBDM 线上需要两个外部串联电阻，以及 USBDP 上的 1.5 kΩ 上拉电阻，现在这些电阻已集成到设备中。
• AVCC 滤波：前代产品有单独的 AVCC 引脚，需要外部 R - C 滤波器，现在 AVCC 引脚内部连接到 VCC，滤波器也集成到芯片中。

3.2 功能特性增强

• CBUS I/O 引脚配置：有 5 条可配置的控制总线 (CBUS) 线路，可配置为多种功能，如 TXDEN#（用于 RS485 设计的发送使能）、PWREN#（用于高功率总线供电设计的电源控制）、TXLED#（数据传输时脉冲点亮 LED）、RXLED#（数据接收时脉冲点亮 LED）、TX&RXLED#（数据传输或接收时脉冲点亮 LED）、SLEEP#（指示设备进入 USB 挂起模式）、CLK48 / CLK24 / CLK12 / CLK6（48MHz、24MHz、12MHz 和 6MHz 时钟输出信号选项），还可配置位操作模式的读写选通。设备出厂时预编程了最常用的引脚定义。
• 位操作模式增强：
  • 异步位操作模式：FT232R 支持 FTDI 的 BM 芯片位操作模式，增强后内部的 RD# 和 WR# 选通可引出，用于让外部逻辑通过访问位操作 I/O 总线进行时钟控制。
  • 同步位操作模式：与异步位操作模式不同，接口引脚仅在设备写入时读取，便于控制程序测量输出刺激的响应，因为返回的数据与输出数据同步。
  • CBUS 位操作模式：允许将四个 CBUS 引脚单独配置为 GPIO 引脚，可在 UART 接口使用时提供最多四个通用 I/O 引脚。
• 其他特性：
  • 电源电压：前代芯片 VCC 引脚需要 5V 电源，FT232R 的 VCC 电源范围为 3.5V 至 5.25V，对于自供电设计，若只有 3.5V 电源且无 5V 电源，无需额外的外部调节器。
  • 电平转换：UART 接口和控制信号集成了电平转换器，VCCIO 引脚电源范围为 1.8V 至 5V，连接到 1.8V、2.8V 或 3.3V 时，设备可直接连接到相应逻辑系列，无需外部电平转换 IC 设备。
  • 上电复位电路：设备内置上电复位 (POR) 功能，有 RESET# 引脚可供外部逻辑在需要时复位 FT232R，许多应用中该引脚可悬空或上拉到 VCCIO。
  • 低功耗：设备工作电源电流降至 15mA，挂起电流降至约 70μA，为外设设计满足 USB 挂起电流限制（500μA）提供了更大余量。
  • 低 USB 带宽消耗：USB 接口设计尽量减少了从 USB 主机控制器获取的总 USB 带宽。
  • 高输出驱动选项：UART 接口和 CBUS I/O 引脚可驱动三倍标准信号驱动电平，可连接多个设备或需要更大信号驱动强度的设备，该选项在内部 EEPROM 中启用。
  • 电源管理控制：PWREN# 信号可用于直接驱动晶体管或 P 沟道 MOSFET，在需要对外部电路进行电源开关的应用中，内部 EEPROM 中的选项可使设备在电源关闭（PWREN# 为高）时轻轻下拉其 UART 接口线，确保外部电路在电源恢复时可靠复位。
  • UART 引脚信号反转：八个 UART 信号的每个信号的极性可通过设置内部 EEPROM 中的选项单独反转。
  • FTDIChip - ID™：每个 FT232R 在制造时分配一个唯一的编号，该编号不能由产品制造商或最终用户重新编程，可用于基于 FT232R 的加密狗进行软件授权，还可基于 FTDIChip - ID™ 编号实现可再生许可证方案。
  • EMI 性能改进：降低的工作电流和改进的片上 VCC 去耦显著提高了 PCB 设计满足 FCC、CE 和其他 EMI 相关规范的便利性。
  • 可编程接收缓冲区超时：接收缓冲区超时用于清除接收缓冲区中的剩余数据，默认时间为 16ms，可通过 USB 以 1ms 为增量从 1ms 到 255ms 进行编程，使设备可针对需要短数据包快速响应的协议进行优化。
  • 波特率：支持从 300 波特到 3 兆波特的所有标准和非标准波特率，非标准波特率可通过特定公式计算，当需要非标准波特率时，只需将所需波特率值正常传递给驱动程序，FTDI 驱动程序将计算所需的除数并设置波特率。
  • 扩展工作温度范围：FT232R 可在 -40º 至 +85º C 的扩展温度范围内工作，适用于汽车和工业应用。
  • 新封装选项：FT232R 有两种封装，紧凑的 28 引脚 SSOP（FT232RL）和超紧凑的 5mm x 5mm 无引脚 QFN - 32 封装（FT232RQ），均为无铅（Pb）且使用“绿色”化合物，完全符合欧盟指令 2002/95/EC。EVAL232R 模块使用 FT232RL 设备。

四、引脚输出与信号描述

4.1 引脚输出

EVAL232R 模块有多个引脚，包括 VCC、VCCIO、VCC3O、CBUS0 - 3、RESET#、GND 等，不同引脚有不同的功能和用途。

4.2 信号描述

• VCC：5V 电源输出，低功率 USB 总线供电设计时，可从 USB 总线的 5V 电源获取最多 100mA 电流；高功率 USB 总线供电设计时，可获取最多 500mA 电流。
• VCCIO：为 FT232RL 的 UART 接口和 CBUS I/O 引脚提供 +1.8V 至 +5.25V 电源，在 USB 总线供电设计中，可连接到 3V3 以 3.3V 电平驱动，或连接到 VCC 以 5V CMOS 电平驱动，也可使用由 USB 总线 5V 供电的外部 1.8V 调节器供电。
• VCC3O：FT232RL 集成 L.D.O. 调节器的 3.3V 输出，通过 100nF 电容在模块 PCB 上接地，主要为 USB 收发器单元和 USBDP 上的内部 1.5kΩ 上拉电阻提供内部 3.3V 电源，必要时可从该引脚获取最多 50mA 电流为外部逻辑供电，也可通过连接该引脚到 VCCIO 为 FT232RL 的 VCCIO 引脚供电。

4.3 CBUS 信号选项

CBUS I/O 引脚可通过内部 EEPROM 使用 FT_PROG 实用软件进行配置，有多种选项，如 TXDEN#、PWREN#、TXLED#、RXLED#、TX&RXLED#、SLEEP#、CLK48、CLK24、CLK12、CLK6、CBitBangI/O、BitBangWRn、BitBangRDn 等。

4.4 RS232 信号描述

DB9 引脚包括 DCD（数据载波检测控制输入）、RXDATA（接收异步数据输入）、TXDATA（发送异步数据输出）、DTR（数据终端就绪控制输出/握手信号）、GND（设备接地电源引脚）、DSR（数据集就绪控制输入/握手信号）、RTS（请求发送控制输出/握手信号）、CTS（清除发送控制输入/握手信号）、RI（振铃指示控制输入，当 FT232RL 内部 EEPROM 中启用远程唤醒功能时，将 RI# 拉低可使 PC USB 主机控制器从挂起状态恢复）。

五、模块尺寸与特性

5.1 模块尺寸

EVAL232R 模块尺寸为 61.0mm x 32.0mm（2.40” x 1.26”），FT232RL 采用符合 RoHS 标准的 28 引脚 SSOP 封装，为无铅且使用“绿色”化合物，日期代码格式为 YYXX，其中 xx 为两位周数，YY 为两位年份数，模块使用的所有组件均为无铅，IC 设备和模块均完全符合欧盟指令 2002/95/EC。

5.2 设备特性与额定值

• 绝对最大额定值：包括存储温度（-65°C 至 150°C）、地板寿命（在工厂环境下 168 小时，符合 IPC/JEDEC J - STD - 033A MSL 3 级标准）、环境温度（通电时 -40°C 至 85°C）、Vcc 电源电压（-0.5 至 +6.00V）、直流输入电压（USBDP 和 USBDM 为 -0.5 至 +3.8V，高阻抗双向为 -0.5 至 +(Vcc +0.5)V，其他输入为 -0.5 至 +(Vcc +0.5)V）、直流输出电流（输出为 24mA，低阻抗双向为 24mA）、功率耗散（Vcc = 5.25V 时为 500mW）。若设备存储超出包装时间限制，使用前应进行烘烤，升温至 125°C 并烘烤长达 17 小时。
• 直流特性：包括 VCC 工作电源电压（3.3 - 5.25V）、VCCIO 工作电源电压（1.8 - 5.25V）、工作电源电流（正常工作时为 15mA，USB 挂起时为 50 - 100μA）、输出电压高（不同条件下有不同值）、输出电压低（不同条件下有不同值）、输入开关阈值（不同条件下有不同值）、输入开关滞后（不同条件下有不同值）等。
• EEPROM 可靠性特性：FT232R 的内部 1024 位 EEPROM 数据保留时间为 15 年，读写周期为 100,000 次。
• 内部时钟特性：内部时钟振荡器的工作频率为 11.98 - 12.02MHz，时钟周期为 83.19 - 83.47ns，占空比为 45 - 55%。

六、模块配置

6.1 总线供电配置

EVAL232R 模块可由 USB 总线的 5V 电源供电，VCCIO 可根据需要连接到 VCC 或 VCC3O，以提供 5V 或 3.3V 输出电平。USB 总线供电设备有一些基本规则，如插入 USB 时电流不超过 100mA，USB 挂起时电流不超过 500μA 等。

6.2 自供电配置

EVAL232R 模块本身不设计用于