FTDI UMFT231XE：USB到全握手UART开发模块的全方位解析

在电子设计领域，一款性能卓越、功能丰富的模块能为工程师们的项目带来极大的便利与可能性。今天，我们就来深入剖析FTDI的UMFT231XE USB到全握手UART开发模块，看看它究竟有哪些独特之处。

文件下载：UMFT231XE-01.pdf

一、模块概述

UMFT231XE是一款专为FTDI的FT231XQ设计的开发模块，属于FTDI USB接口桥接集成电路设备系列。它是一个具有0.6”行间距的USB到串行全握手UART双列直插式（DIP）模块。该模块设计用于插入标准的0.6”宽20引脚DIP插座，且所有组件包括FT231XQ均为无铅（符合RoHS标准）。

1.1 主要特性

• 基于FT231XQ：具备FT231X的所有特性，具体可参考FT231X的数据手册。
• 小巧设计：采用小型PCB组装模块，适配标准15.24mm（0.6”）宽20引脚DIP插座，引脚间距为2.54mm（0.1”）。
• 便捷连接：板载USB “mini - B”插座，可通过标准A到mini - B USB电缆连接到PC。
• 功能可配置：使用跳线进行功能配置，默认跳线设置可使模块在无需外围电线或应用板的情况下正常工作，其他配置可实现外部电源供应选项和逻辑参考电平的变化。

二、驱动支持

UMFT231XE提供了丰富的驱动支持，包括免版税的虚拟COM端口（VCP）驱动和D2XX直接驱动（USB驱动 + DLL软件接口），支持多种操作系统，如Windows 7（32位和64位）、Windows Vista、Windows XP（32位和64位）、Windows XP Embedded、Windows CE.NET 4.2、5.0和6.0、MAC OS OS - X、Linux 3.0及更高版本以及Android。这些驱动均可从www.ftdichip.com免费下载，同时还有各种第三方驱动适用于其他操作系统，具体详情可访问该网站。

三、订购信息

模块代码	采用的IC代码	描述
UMFT201XE - 01	FT201XQ	USB到I2C评估模块，0.6”行间距，标准DIP头
UMFT221XE - 01	FT221XQ	USB到8位SPI/FT1248评估模块，0.6”行间距，标准DIP头
UMFT231XE - 01	FT231XQ	USB到全握手UART评估模块，0.6”行间距，标准DIP头
UMFT240XE - 01	FT240XQ	USB到8位245 FIFO评估模块，0.6”行间距，标准DIP头

四、信号与配置

4.1 引脚输出

文档中的图4.1展示了DIP引脚的可用信号，清晰地呈现了各个引脚的分布和连接情况。

4.2 信号描述

引脚编号	名称	类型	描述
J1 - 1, J2 - 5	GND	PWR	模块接地电源引脚
J1 - 2	3V3OUT	电源输入/输出	集成LDO稳压器的3.3V输出，通过100nF电容与PCB模块上的地去耦，主要用于提供内部使用的3.3V电源
J1 - 3	VCCIO	电源输入	+1.8V至+3.3V电源，为UART接口和CBUS I/O引脚供电
J1 - 4	DCD#	输入	数据载波检测控制输入
J1 - 5	DSR#	输入	数据集就绪控制输入/握手信号
J1 - 6	DTR#	输出	数据终端就绪控制输出/握手信号
J1 - 7	CTS#	输入	清除发送控制输入/握手信号
J1 - 8	RTS#	输出	请求发送控制输出/握手信号
J1 - 9	RXD	输入	接收异步数据输入
J1 - 10	TXD	输出	发送异步数据输出
J2 - 1	SLD GND	-	USB电缆屏蔽，通过0欧姆电阻连接到地
J2 - 2	VBUS	电源输出	USB总线的5V电源输出，低功率USB总线供电设计中，可从5V电源获取最多100mA电流并应用于USB总线；高功率USB总线供电设计中，可从USB总线获取最多500mA电流；还可从专用充电器获取最多1A电流并应用于USB总线
J2 - 3	VCC	电源输入	FT231X的5V电源输入
J2 - 4	RI#	输入	振铃指示控制输入，当内部MTP ROM中启用远程唤醒功能时，将RI#拉低>20ms可使PC USB主机控制器从挂起状态恢复
J2 - 6	RESET#	输入	FT231X的低电平有效复位线，板载上拉电阻和推荐的滤波电容，当USB总线无电源时，复位线将被拉低，防止在自供电模式下电流流向主机或集线器
J2 - 7	CBUS3	I/O	可配置的CBUS I/O引脚，功能在设备内部MTP ROM中配置
J2 - 8	CBUS2	I/O	可配置的CBUS I/O引脚，功能在设备内部MTP ROM中配置
J2 - 9	CBUS1	I/O	可配置的CBUS I/O引脚，功能在设备内部MTP ROM中配置
J2 - 10	CBUS0	I/O	可配置的CBUS I/O引脚，功能在设备内部MTP ROM中配置

4.3 CBUS信号选项

CBUS I/O引脚有多种可配置选项，这些选项都可使用从www.ftdichip.com下载的FT_PROG实用软件在内部MTP ROM中进行配置。默认配置在文档第9节有描述，具体选项如下：

• 三态（Tristate）：CBUS0 - CBUS3的IO焊盘处于三态。
• DRIVE_1：输出恒定的1。
• DRIVE_0：输出恒定的0。
• TXDEN：为RS485启用发送数据。
• PWREN#：设备通过USB配置后输出为低电平，USB挂起模式期间为高电平，可用于控制外部逻辑的电源。
• TXLED#：USB发送数据时，开漏脉冲拉低以驱动LED。
• RXLED#：USB接收数据时，开漏脉冲拉低以驱动LED。
• TX&RXLED#：USB发送或接收数据时，开漏脉冲拉低以驱动LED。
• SLEEP#：USB挂起模式期间为低电平，通常用于在USB到RS232转换器设计中关闭外部逻辑到RS232电平转换器IC的电源；连接到专用充电器端口时可取消该选项。
• CLK24MHz、CLK12MHz、CLK6MHz：分别输出24MHz、12MHz和6MHz时钟信号（USB挂起模式下时钟输出也会挂起）。
• GPIO：CBUS位敲击模式选项，允许最多4个CBUS引脚用作通用I/O，在内部MTP ROM中为CBUS0、CBUS1、CBUS2和CBUS3分别配置。
• BCD_Charger：指示设备连接到专用电池充电器主机，高电平有效输出，需要10K下拉电阻以消除上电时的抖动。
• BCD_Charger#：低电平有效的BCD充电器，由开漏接地驱动，无内部上拉电阻（板载4.7K上拉电阻）。
• BitBang_WR#：同步和异步位敲击模式的WR#选通输出。
• BitBang_RD#：同步和异步位敲击模式的RD#选通输出。
• VBUS_Sense：检测VBUS是否存在的输入。
• Time_Stamp：每次收到USB SOF时状态改变的Toggle信号。
• Keep_Awake#：低电平有效输入，防止芯片进入挂起状态。

五、模块配置

5.1 跳线配置选项

• JP1：
  • 短路（默认）：将内部3.3V稳压器连接到VCCIO，限制信号驱动仅为3.3V电平信号。
  • 断开：断开内部3.3V稳压器与VCCIO的连接，允许从外部电源供应1.8V - 3.3V电源，从而处理逻辑电平在1.8V至3.3V之间的信号，VCCIO可调整以匹配外部电路的接口要求。
• JP2：
  • 短路（默认）：将VBUS连接到VCC，此模式为“USB供电”模式。
  • 断开：断开VBUS与VCC的连接，允许从外部电源供电，此模式为“自供电”模式。

5.2 总线供电配置

默认情况下，UMFT231XE配置为总线供电模式，从USB主机/集线器获取电源。图5.1展示了典型的USB总线供电设计配置，默认情况下VCCIO连接到3V3OUT，VCC连接到VBUS。在总线供电配置中，+5V VBUS电源从USB总线获取并连接到FT231X的电源输入（VCC），+3.3V电源从FT231X的电压调节器输出获取并连接到FT231X IO端口的电源输入（VCCIO）。与微控制器（MCU）或其他逻辑设备进行接口时，与自供电配置的方式相同，只是MCU或外部设备可以从USB总线获取电源（USB引脚的5V或3V3OUT引脚的3.3V）。

5.3 自供电配置

自供电配置的原理是从外部电源获取电力，而不是从USB主机获取。在这种配置下，不从USB总线吸取电流。图5.2展示了典型的USB自供电配置，此时移除JP1的跳线连接，允许从外部源向模块的VCC引脚提供5V电源，VCCIO可以由3V3OUT或外部源的VCC供电。为防止连接的USB主机或集线器断电时电流回流到USB数据线，UMFT231XE使用板载分压器网络连接到USB总线和RESET#引脚。当VBUS线无电源时，FT231X将通过弱下拉自动保持复位状态；当施加电源时，分压器将施加弱3.3V上拉。向UMFT231XE的RESET#引脚驱动电平将覆盖分压器的效果。当FT231X处于复位状态时，连接到数据线的USB DP信号上拉电阻将断开，USB线上不会有电流流动。

5.4 USB总线供电带电源切换配置

USB总线供电模式在5.2节已有介绍，本节介绍如何使用带电源开关的总线供电模式。USB总线供电电路在USB挂起模式下连接到主机或集线器时，根据USB合规标准，消耗电流应小于2.5mA（未枚举且未挂起时小于100mA）。PWREN# CBUS功能可在FT231X未枚举时移除外部电路的电源。要使用PWREN#实现电源开关，可按图5.3所示配置P沟道功率MOSFET，使其具有软启动功能，通过安装10K上拉电阻、1K串联电阻和100nF电容。将P沟道MOSFET的源极连接到3V3OUT而不是VBUS，可使外部逻辑从FT231X获取3.3V电源而不违反USB合规性。在此设置中，VCCIO不应从该MOSFET的漏极获取电源，因为驱动该晶体管栅极的电源来自VCCIO，VCCIO应直接连接到3V3OUT以确保设置有效。此外，外部逻辑和FT231X的IO核心消耗的电流不得超过50mA，因为内部3.3V稳压器的电流限制为50mA。

5.5 可变IO电压供应

FT231X可以处理CMOS/TTL逻辑电平在1.8V至3.3V范围内的信号。图5.4展示了FT231X与IO工作在1.8V - 3.3V范围内的设备进行接口的配置。该模块的IO端口需要以与其处理的信号电平相等的电压供电，由于FT231X的嵌入式电压调节器仅输出3V3，因此在工作电压不是3.3V时，IO端口需要从其他电源获取电力。默认情况下，3V3OUT（嵌入式电压调节器）和VCCIO（IO端口的电源输入）之间通过JP1连接短路。如果使用外部电源为IO端口供电，则需要断开该跳线。此配置可在总线供电模式或自供电模式下实现。需要注意的是，CBUS和DBUS引脚可承受5V电压，但这些信号不能驱动5V TTL/CMOS信号；VCCIO不耐受5V，施加5V到VCCIO会损坏芯片。如果向VCCIO供电而不向VCC供电，所有IO将处于未知状态，但不会损坏芯片，FT231X还具有保护电路，可防止芯片因VCCIO与处理信号电平之间的电压差异而损坏。在使用FTDI X芯片系列的芯片且VCCIO小于3V3时，建议在数据线上使用上拉电阻（47K）到VCCIO，所有UMFT2xxXE设备都包括板载上拉电阻。

5.6 3.3V电压供应

FT231X可以由单一3.3V电源供电，这是标准自供电配置中FT231X以5V供电的替代方案。图5.5展示了3.3V自供电配置，注意3.3V输入连接到VCC、VCCIO和3V3OUT。

5.7 配置MTP ROM

FT231X包含嵌入式MTP ROM，可用于配置每个CBUS引脚的功能、每个信号引脚的电流驱动、USB总线的电流限制以及设备的其他描述符。有关使用MTP ROM/EEPROM编程实用程序FT_PROG的详细信息，请参阅FT_PROG用户指南。编程MTP ROM时需要注意：

• 可以在内部MTP ROM中将一个CBUS引脚配置为PWREN#，用于切换外部电路的电源供应。
• MTP ROM的最大总线功率设置应指定枚举时从USB主机/集线器吸取的最大电流。对于高功率USB设备，枚举时的电流限制在100mA至500mA之间；对于低功率USB设备，电流限制为100mA。

六、模块尺寸

文档中的图6.1展示了UMFT231XE模块的尺寸，所有尺寸均以毫米为单位。该模块仅使用无铅组件，完全符合欧盟指令2002/95/EC。

七、模块电路原理图

文档中的图7.1展示了模块的电路原理图，清晰地呈现了模块内部的电路连接和信号流向。

八、内部MTP ROM配置

上电复位或USB复位后，FT231X将扫描其内部MTP ROM并读取存储在其中的USB配置描述符。UMFT231XE上使用的FT231XQ内部MTP ROM的默认编程值如下：	参数	值	备注
USB供应商ID（VID）	0403h	FTDI默认VID（十六进制）
USB产品ID（PID）	6015h	FTDI默认PID（十六进制）
序列号启用？	是	在UM232R模块的最终测试期间生成并编程到MTP ROM中的唯一序列号
关闭电源时下拉I/O引脚	禁用	启用此选项将使设备在电源关闭时下拉UART接口线（PWREN#为高电平时）
制造商名称	FTDI	-
产品描述	UMFT231XE	-
最大总线功率电流	90mA	-
电源来源	总线供电	-
设备类型	FT231X	-
USB版本	0200	返回USB 2.0设备描述给主机，该设备是USB 2.0全速设备（12Mb/s），而非USB 2.0高速设备（480Mb/s）
远程唤醒	启用	拉低RI#将使USB主机控制器从挂起状态唤醒
高电流I/O	禁用	启用UART和CBUS I/O引脚上的高驱动电平
加载VCP驱动	启用	使设备加载CVP驱动接口
CBUS0	GPIO	-
CBUS1	GPIO	-
CBUS2	GPIO	-
CBUS3	GPIO	-
反转UART	禁用	启用时，此引脚上的信号变为TXD#

内部MTP ROM可以