探索Adafruit FT232H Breakout：多功能串口协议扩展板的使用指南

在电子设计领域，我们常常希望计算机能够直接与各种设备和传感器进行通信，而Adafruit FT232H Breakout扩展板为我们实现这一目标提供了一个强大且灵活的解决方案。下面将详细介绍该扩展板的特点、组装、配置及使用方法。

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一、概述

Adafruit FT232H Breakout扩展板是一款功能强大的工具，它就像是计算机的一个“串口协议瑞士军刀”。自2020年2月12日起，该扩展板进行了升级，采用了现代的USB C连接器，新增了I2C开关以便于I2C接口连接，还有3V电源输出引脚（最大500mA）以及Stemma QT连接器，可实现即插即用连接各种Stemma QT或Qwiic设备、传感器和显示器，并且在尺寸、安装孔和引脚排列上完全向后兼容。

FT232H芯片来自FTDI，与常见的USB转串口转换器芯片类似，但它增加了“多协议同步串行引擎”（MPSSE），能够支持SPI、I2C、串行UART、JTAG等多种常见协议。此外，它还有几个数字GPIO引脚，可用于读取和写入，实现诸如闪烁LED、读取开关或按钮等功能。

二、组装与接线

1. 组装

组装FT232H Breakout扩展板需要将附带的引脚头焊接到扩展板上。如果你是焊接新手，建议先阅读优秀焊接指南并进行一些废料练习。具体步骤如下：

• 修剪公引脚头，使其长度与扩展板上的引脚孔相匹配，通常是两排各10个引脚。
• 将引脚头的长引脚插入面包板，使FT232H扩展板的引脚孔能够完美穿过面包板顶部伸出的引脚头。
• 使用烙铁和焊锡，小心地将所有引脚焊接到FT232H扩展板上。
• 焊接完成后，将微型USB电缆插入FT232H扩展板的端口，再将电缆连接到计算机或笔记本电脑。如果扩展板上5V引脚旁边的绿色LED亮起，说明组装成功。

2. 接线

FT232H扩展板的引脚功能如下：

• 5V：这是直接连接到USB总线的5伏电源，不要从该引脚吸取超过400 - 500mA的电流，以免损坏计算机的USB端口。
• GND：这是FT232H扩展板的接地引脚。
• D0 - D7：这些是FT232H芯片上的ADBUS引脚，用于串行UART和其他串行协议，也可作为GPIO引脚用于数字输入和输出。
• C0 - C9：这些是FT232H芯片上的ACBUS引脚，主要用作GPIO引脚进行数字输入和输出。需要注意的是，C8和C9引脚不能通过软件控制，只能通过更改芯片的EEPROM来分配功能。

三、串行UART使用

1. 基本功能

FT232H开箱即用，可作为FTDI的USB转串行UART转换器，适用于与Arduino等串行设备通信。它能安全处理3.3伏和5伏信号，可连接Arduino的5伏串行端口以及树莓派或BeagleBone Black的3.3伏串行端口。

2. 引脚功能

• D0：TX或发送引脚，是FT232H芯片的串行数据输出，应连接到串行设备的RX或接收引脚。
• D1：RX或接收引脚，是FT232H芯片的串行数据输入，应连接到串行设备的TX或发送引脚。
• D2：RTS或准备发送引脚，用于串行连接的流控制。
• D3：CTS或清除发送引脚，与RTS类似，用于流控制。
• D4：DTR或数据终端准备好引脚，用于RS - 232串行连接的流控制。
• D5：DSR或数据集准备好引脚，与DTR类似，用于RS - 232串行连接的流控制。
• D6：DCD或数据载波检测引脚，有时用于RS - 232串行通信。

3. USB串行驱动程序安装

大多数操作系统都包含FTDI的串行UART驱动程序，通常无需额外安装。具体情况如下：

• Mac OSX Mavericks或更高版本：自动包含FTDI串行驱动程序。
• Linux内核版本约2.6及以上：也包含FTDI串行驱动程序，如Ubuntu 12.04或14.04等现代Linux发行版无需安装驱动。
• Windows：通常可以在线自动搜索驱动程序，如果失败，可以手动从FTDI网站下载并安装。

4. 串行使用测试

安装必要的串行端口驱动程序后，可以进行简单的回环测试来确认能够通过UART读写数据。将D0（TX）引脚连接到D1（RX）引脚，使用串行控制台输入数据，若输入的数据能被立即回显，则测试成功。不同操作系统的操作方法如下：

• Windows：可以使用PuTTY作为串行控制台，配置连接类型为串行，设置串行线为设备管理器中找到的COM端口，速度设置为9600波特。
• Mac OSX：使用终端命令ls /dev/tty.*列出所有串行端口，连接FT232H扩展板后再次运行该命令，找到新出现的设备，使用screen命令打开串行连接。
• Linux：使用ls /dev/tty*命令列出串行设备，连接FT232H扩展板后找到新设备的路径，使用screen命令打开串行端口。

四、Python设置与使用

1. MPSSE模式概述

MPSSE（多协议同步串行引擎）是FT232H芯片的核心，它允许芯片支持I2C、SPI等多种协议。在MPSSE模式下，D0 - D3引脚具有特殊的串行协议功能：

• D0：时钟信号输出，可配置为运行速度在约450Hz至30MHz之间的时钟。
• D1：串行数据输出，用于输出串行信号，如SPI连接中的MOSI线。
• D2：串行数据输入，用于读取串行信号，如SPI连接中的MISO线。
• D3：串行选择信号，用于告诉连接的设备FT232H准备与之通信。

此外，MPSSE模式还允许将D4 - D7和C0 - C7共12个引脚作为通用数字输入或输出控制。

2. 软件选项

使用MPSSE模式需要使用一些特殊的软件和编程库，以下是一些可选的软件：

• FTDI的官方D2XX驱动程序和库：由FTDI生产，提供对FTDI芯片功能的底层访问，有适用于Windows、Mac OSX和Linux的二进制版本。
• FTDI的LibMPSSE - I2C和LibMPSSE - SPI库：基于D2XX驱动程序构建，为与FT232H的MPSSE组件进行I2C和SPI通信提供更简单的接口。
• libFTDI库：开源库，类似于D2XX库，提供对FTDI芯片功能的底层接口，还有Python接口，使用起来相对简单。
• libmpsse库：基于libFTDI库构建，为使用MPSSE组件的I2C和SPI协议提供更简单的接口，目前仅支持Mac OSX和Linux。
• Adafruit Python GPIO库：为简化FT232H的使用，该库提供了一个简单的接口，可通过Python编程语言访问FT232H的GPIO、SPI和I2C功能，支持Windows、Mac OSX和Linux平台。

3. 不同平台的MPSSE设置

由于MPSSE相关内容已被弃用，这里仅作历史参考。在使用MPSSE模式时，串行UART模式将被禁用。不同平台的设置步骤如下：

• Windows：需要使用Zadig工具将FT232H的FTDI驱动程序替换为基于libusb的驱动程序，下载并安装libftdi二进制文件，最后安装Adafruit Python GPIO库。
• Mac OSX：需要安装Xcode和Xcode命令行工具，安装Homebrew包管理器，使用brew命令安装libftdi及其依赖项，下载并安装Adafruit Python GPIO库。
• Linux：在Debian/Ubuntu/Raspbian系统上，使用apt - get命令安装libftdi及其依赖项，下载并安装Adafruit Python GPIO库。

4. MPSSE使用示例

（1）GPIO使用

使用FT232H的GPIO引脚非常简单，以下是一个闪烁LED和读取数字输入的示例：

• 连接硬件：将FT232H的C0引脚连接到LED的阳极，LED的阴极通过一个330 - 1000欧姆的电阻连接到FT232H的GND引脚；将FT232H的D7引脚连接到GND，通过将跳线在GND和5V之间切换来读取D7输入的高低值。
• 编写Python代码：创建一个名为gpio_test.py的文件，代码如下：

  
  import time
  import Adafruit_GPIO as GPIO
  import Adafruit_GPIO.FT232H as FT232H

FT232H.use_FT232H() ft232h = FT232H.FT232H() ft232h.setup(7, GPIO.IN) ft232h.setup(8, GPIO.OUT)

print 'Press Ctrl - C to quit.' while True: ft232h.output(8, GPIO.HIGH) time.sleep(1) ft232h.output(8, GPIO.LOW) level = ft232h.input(7) if level == GPIO.LOW: print 'Pin D7 is LOW!' else: print 'Pin D7 is HIGH!' time.sleep(1)

 - 运行代码：在Windows上运行`python gpio_test.py`，在Mac OSX或Linux上运行`sudo python gpio_test.py`，可以看到LED每秒闪烁一次，并打印D7输入的状态。

#### （2）SPI使用
FT232H的MPSSE非常适合使用SPI协议进行通信，以下是一个使用SPI协议发送和接收数据的示例：
```python
import Adafruit_GPIO.FT232H as FT232H

FT232H.use_FT232H()
ft232h = FT232H.FT232H()
spi = FT232H.SPI(ft232h, cs = 8, max_speed_hz = 3000000, mode = 0, bitorder = FT232H.MSBFIRST)
spi.write([0x01, 0x02, 0x03])

response = spi.read(3)
print 'Received {0}'.format(response)

response = spi.transfer([0x01, 0x02, 0x03])
print 'Received {0}'.format(response)

（3）驱动NeoPixels

使用SPI协议驱动WS2811/WS2812 NeoPixel可寻址RGB LED是一个有趣的应用。通过使用6MHz的高速SPI信号对NeoPixel控制信号进行“过采样”，可以从FT232H的D1（MOSI）线生成近似的控制信号。需要注意的是，这种方法一次最多只能点亮约340个像素。以下是一个驱动NeoPixels的示例代码：

import time
import Adafruit_GPIO as GPIO
import Adafruit_GPIO.FT232H as FT232H

class NeoPixel_FT232H(object):
    def __init__(self, n):
        self.ft232h = FT232H.FT232H()
        self.spi = FT232H.SPI(self.ft232h, max_speed_hz = 6000000)
        self.buffer = bytearray(n * 24)
        self.lookup = self.build_byte_lookup()

    def build_byte_lookup(self):
        lookup = {}
        for i in range(256):
            value = bytearray()
            for j in range(7, -1, -1):
                if ((i >> j) & 1) == 0:
                    value.append(0b11100000)
                else:
                    value.append(0b11111000)
            lookup[i] = value
        return lookup

    def set_pixel_color(self, n, r, g, b):
        index = n * 24
        self.buffer[index:index + 8] = self.lookup[int(g)]
        self.buffer[index + 8:index + 16] = self.lookup[int(r)]
        self.buffer[index + 16:index + 24] = self.lookup[int(b)]

    def show(self):
        self.spi.write(self.buffer)

if __name__ == '__main__':
    pixel_count = 16
    pixels = NeoPixel_FT232H(pixel_count)
    for i in range(pixel_count):
        pixels.set_pixel_color(i, 255, 0, 0)
        pixels.show()
        time.sleep(0.25)
    for i in range(pixel_count):
        pixels.set_pixel_color(i, 0, 255, 0)
        pixels.show()
        time.sleep(0.25)
    for i in range(pixel_count):
        pixels.set_pixel_color(i, 0, 0, 255)
        pixels.show()
        time.sleep(0.25)
    colors = [(255, 0, 0), (255, 255, 0), (0, 255, 0), (0, 255, 255), (0, 0, 255), (255, 0, 255)]
    offset = 0
    print 'Press Ctrl - C to quit.'
    while True:
        for i in range(pixel_count):
            color = colors[(i + offset) % len(colors)]
            pixels.set_pixel_color(i, color[0], color[1], color[2])
        pixels.show()
        offset += 1
        time.sleep(0.25)

（4）I2C使用

I2C协议是与传感器和设备通信的另一种流行协议，FT232H的MPSSE组件可以实现I2C协议。使用I2C时，需要将D1和D2引脚用跳线连接在一起，形成I2C的SDA数据线，D0引脚作为I2C的SCL时钟线，并添加4.7千欧姆的上拉电阻。以下是一个使用I2C的示例代码：

import Adafruit_GPIO.FT232H as FT232H

FT232H.use_FT232H()
ft232h = FT232H.FT232H()
i2c = FT232H.I2CDevice(ft232h, 0x70)

response = i2c.readU16(0x01)
i2c.write8(0x02, 0xAB)

五、更多信息与资源

1. 参考资料

• 官方FT232H数据手册：这是了解FT232H所有信息的参考资料，建议至少浏览一遍，以便全面了解芯片的功能。
• MPSSE命令参考：详细介绍了控制FT232H芯片MPSSE组件的底层命令。
• FTDI实用工具：如FT PROG工具，可用于写入FT232H扩展板的EEPROM并控制C8和C9引脚的功能，但该工具仅支持Windows。
• FTDI应用笔记：在该页面搜索FT232H或MPSSE，可找到许多使用FT232H与不同串行协议进行接口的有用应用笔记。
• libftdi：开源库，是FTDI二进制驱动程序的不错替代方案，可用于与FT232H进行底层交互。
• libmpsse：用于访问FT232H的MPSSE功能，是本指南中Python GPIO库的替代方案。
• OpenOCD硬件：对于ARM芯片开发，OpenOCD调试工具对于使用JTAG协议进行芯片调试非常有价值，具有MPSSE的FTDI芯片（如FT232H）甚至可以支持JTAG并与OpenOCD配合使用。

2. 擦除EEPROM以使用FT_PROG

如果要使用FTDI的FT_PROG编程工具，可能需要擦除FT232H的EEPROM。具体步骤如下：

• 连接FT232H板到计算机，使用Zadig工具启用基于libusb的驱动程序。
• 下载libftdi Windows二进制文件，解压后在命令行终端中运行eeprom -e -p 0x6014 -v 0x0403命令擦除EEPROM。
• 卸载libusb驱动程序，重新插拔FT232