VK32系列多總線UART串口擴(kuò)展芯片的原理和應(yīng)用

摘要：UART以其簡單可靠，抗干擾強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，組網(wǎng)方便，被認(rèn)為是嵌入式系統(tǒng)中進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴逊绞?。本文介紹了專為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的VK32系列新型多總線接口UART器件的原理及應(yīng)用技術(shù)。

1．嵌入式系統(tǒng)中串口擴(kuò)展的需求：
    而在嵌入式領(lǐng)域，由于UART具有操作簡單，工作可靠，抗干擾強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)（組成485網(wǎng)絡(luò)可以傳輸1200米以上），設(shè)計人員普遍認(rèn)為UART是從CPU或微控制器向系統(tǒng)的其他部分傳輸數(shù)據(jù)的最佳方式，因此它們被大量地應(yīng)用在工業(yè)、通信、和家電控制等嵌入式領(lǐng)域。通常MCU/CPU都會自帶一個UART串口，但實際應(yīng)用中一個串口往往不夠用，需要進(jìn)行UART串口擴(kuò)展。

    目前的大多數(shù)UART器件是以計算機(jī)總線轉(zhuǎn)換UART為應(yīng)用基礎(chǔ)的，其通用性、管腳、寄存器與20年前很少改變，針對嵌入式應(yīng)用，目前的UART器件普遍存在操作復(fù)雜，引腳多，價格較高等弱點(diǎn)，不能滿足和適應(yīng)的嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的需要。

    針對嵌入式系統(tǒng)中UART的發(fā)展趨勢，維肯電子設(shè)計推出了VK32XX系列新型多總線接口UART器件，其特點(diǎn)為：

1. 支持8位并行總線，SPI總線，UART等多種主機(jī)總線接口：

    8位并行總線接口產(chǎn)品可以替代目前廣泛使用的16C55X系列UART用于為8位，16位，32位MCU進(jìn)行UART串口擴(kuò)展。VK32系列8位并行總線接口UART產(chǎn)品采用了精簡控制寄存器設(shè)計），并通過管腳復(fù)用減少了芯片管腳，簡化的軟件設(shè)計和PCB設(shè)計都更適合嵌入式系統(tǒng)需求。

    SPI接口總線系列產(chǎn)品為帶有SPI接口的DSP、MCU實現(xiàn)同步SPI串口到異步UART串口的橋接和擴(kuò)展，尤其針對目前廣泛應(yīng)用的DSP系統(tǒng)，大多數(shù)DSP都只有同步串口，只能用于與具有同步通信接口的外設(shè)進(jìn)行通信。V32系列SPI總線接口可以將一個SPI同步串行接口橋接/擴(kuò)展成為1～4個通用異步串口，方便的實現(xiàn)DSP和外設(shè)的異步串行通信。

    UART接口產(chǎn)品創(chuàng)新的實現(xiàn)了將一個標(biāo)準(zhǔn)3線異步串口（UART）擴(kuò)展成為2～4個增強(qiáng)功能串口（UART）。芯片內(nèi)置的UART擴(kuò)展協(xié)議處理邏輯，無需無需其它的地址信號、控制信號線就可以實現(xiàn)多個獨(dú)立配置的全雙工串口擴(kuò)展，為需要擴(kuò)展串口的嵌入式系統(tǒng)提供了一個最簡潔的解決方案。

1. 支持高速傳輸，每個子波特率可以獨(dú)立設(shè)置為300bps—960 kbps，主機(jī)支持的SPI總線 最高傳輸速率為5M bits/s, 主機(jī)8位并行總線的最高傳輸速率為10M bit/s.
2. 寬工作電壓和低功耗設(shè)計，考慮到目前嵌入式領(lǐng)域中新型的DSP/FPGA的工作電壓大多為2.5V，而大量的工業(yè)控制領(lǐng)域的MCU仍然需要在5V電壓下工作，VK32系列UART設(shè)計的工作電壓范圍為2.5V～5.5V。同時，該系列芯片可以工作在自動休眠和喚醒模式下，有效的降低功耗。
3. 完善的FIFO功能，每個通道獨(dú)立的16級接收和發(fā)送FIFO，每個FIFO有4個可編程觸發(fā)點(diǎn)設(shè)置。完善的FIFO功能可以進(jìn)行發(fā)送/接收的數(shù)據(jù)緩沖，減少DSP/CPU對數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟僮鳎岣逤PU/DSP的效率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?
4. 子串口通道具備軟件或硬件自動流量控制，滿足高速數(shù)據(jù)傳輸中流量控制的需要。
5. 子串口具備可編程的硬件RS-485自動控制功能和自動9位網(wǎng)絡(luò)地址識別功能，大大降低處理器的負(fù)擔(dān)，尤其適用于工業(yè)RS-485組網(wǎng)。
6. 每個通道具備獨(dú)立可控的數(shù)據(jù)廣播接收功能，可以應(yīng)用與需要數(shù)據(jù)廣播傳輸和控制的嵌入式系統(tǒng)中。
7. 所有UART（包括UART主接口和子通道UART）都支持IrDA紅外通信.

2．VK32系列新型多總線接口UART器件的原理及框圖：
    VK3266是VK32系列中功能最全的型號，本文以VK3266的原理圖為基礎(chǔ)，對VK32系列UART芯片原理進(jìn)行介紹：

                  VK3266原理框圖

    VK3266內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括主機(jī)接口，子通道部分，MODEM控制邏輯，中斷控制邏輯幾部分。 
    主機(jī)接口為VK3266與CPU/DSP相連的接口，通過M1，MO模式選擇信號線，可以分別選擇8位并行總線，SPI總線，UART三種接口與主機(jī)相連。 
    MODEM控制邏輯用于與MODEM相連時的狀態(tài)信號線的監(jiān)控和控制。
    中斷控制邏輯用于產(chǎn)生和控制各種內(nèi)部中斷。
    時鐘發(fā)生器為芯片的提供時鐘，可以用CLKSEL引線選擇從晶振還是外部時鐘源獲取時鐘。

    子通道邏輯部分處理各個的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。數(shù)據(jù)發(fā)送的處理過程為：主機(jī)接口將從主口總線發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后傳送到相應(yīng)的子通道FIFO，F(xiàn)IFO里的數(shù)據(jù)經(jīng)過流量控制邏輯后，在波特率發(fā)生器的作用下，通過發(fā)送移位寄存器順次將數(shù)據(jù)發(fā)送到TX串行輸出信號線上。接收數(shù)據(jù)與此正好相反。子通道處理模塊中，控制寄存器用于對各個子通道進(jìn)行設(shè)置，IR編解碼器用于對紅外信號進(jìn)行編解碼，子通道流量控制器用于子通道傳輸數(shù)據(jù)時的自動流量控制。

3．VK32系列多種總線的主機(jī)接口和操作：
3．1 SPI主機(jī)接口連接和操作：
    如圖所示 SPI與主機(jī)（CPU或者DSP）接口包括如下四個信號： SDIN：SPI數(shù)據(jù)輸入。 SDOUT：SPI數(shù)據(jù)輸出。SCLK：SPI串行時鐘。SCS：SPI片選（從屬選擇）。

    VK32XX工作在SPI同步串行通信的從機(jī)模式下 ，支持SPI模式0標(biāo)準(zhǔn)。為實現(xiàn)主機(jī)和VK32XX的通信，在主機(jī)端需要設(shè)置CPOL=0(SPI時鐘極性選擇位),CPHA=0( SPI時鐘相位選擇位)。SPI接口的操作時序如圖9.2所示：

SPI接口讀寫操作：
                  SPI寫寄存器操作

                     SPI讀寄存器

各位的原理
C1 C0：子串口通道號? 00~11分別對應(yīng)子串口1到子串口4；
A3-A0：子串口寄存器地址
D8t：9位數(shù)據(jù)長度發(fā)送時第9位的數(shù)據(jù)
INT1—INT4：通道1到4的中斷標(biāo)志
TC3—TC0：發(fā)送FIFO數(shù)據(jù)的個數(shù)
RC3—RC0：接收FIFO數(shù)據(jù)的個數(shù)?

3．2 UART主機(jī)接口的連接和操作：
    當(dāng)VK32XX的主接口為UART時，僅需要RX，TX連接主機(jī)。采用標(biāo)準(zhǔn)的UART協(xié)議進(jìn)行通信。上電后，主機(jī)以VK32XX的復(fù)位值所確定的波特率和數(shù)據(jù)格式對VK32XX進(jìn)行初始化設(shè)置后即可方便的實現(xiàn)串口擴(kuò)展功能。

UART接口與主機(jī)連接圖

主UART接口的操作時序
    寫操作時，先向VK3266的RX寫入一個命令字節(jié)（Command Byte）,隨后寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)字節(jié)，其操作時序（無校驗，禁止轉(zhuǎn)義和紅外模式）如圖10.2所示：

UART主接口寫操作時序
    讀操作時，先向VK3266的RX寫入命令字節(jié)，相應(yīng)的數(shù)據(jù)字節(jié)從TX讀取，其操作時序（無校驗，禁止轉(zhuǎn)義和紅外模式）如圖

UART主接口讀操作時序
    主UART通信傳輸協(xié)議描述：
寫寄存器：

寫FIFO：(多字節(jié)寫入)

讀寄存器：

讀FIFO：（多字節(jié)讀?。?

說明：
C1,C0：子串口通道號， 00~11分別對應(yīng)子串口1到子串口4。
A3,A2,A1,A0:子串口寄存器地址；
N3,N2,N1,N0:寫入/讀取FIFO的數(shù)據(jù)字節(jié)個數(shù)；當(dāng)其為0000時，表明后接1個數(shù)據(jù)字節(jié)；當(dāng)其為1111時，表明后接16個數(shù)據(jù)字節(jié)；

向子串口讀/寫數(shù)據(jù)有兩種方法：

1. 讀/寫寄存器方式，對子串口FIFO寄存器SFDR（1111）進(jìn)行讀/寫操作,一次只能讀/寫一個字節(jié)；
2. 讀/寫FIFO方式，對接收/發(fā)送FIFO直接進(jìn)行讀/寫操作，一次最多可以讀寫16個連續(xù)數(shù)據(jù)

3．3 8位并行總線主機(jī)接口的連接和操作
    VK3266支持8位并行總線與主機(jī)連接，在8位總線模式下，VK3266僅需要占用兩個地址空間，一個用來操作地址寄存器，一個用來操作數(shù)據(jù)寄存器。當(dāng)采用查詢方式工作時，IRQ可以不連接。
其連接如圖所示：

并行8位總線主接口連接圖

并行8位總線接口的操作時序：
    VK3266的8位并行總線接口完全兼容主流的8位MCU（如8051）的操作時序。
.寫操作時序：

              8位總線寫操作時序
讀操作時序：

               并行8位總線讀操作時序
并行8位總線傳輸協(xié)議描述：
寫寄存器：

讀寄存器：

  說明：
C1,CO：子串口通道號，00~11分別對應(yīng)子串口1到子串口4
A3,A2,A1,A0:子串口寄存器地址

4． VK系列新型多總線接口UART器件在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用：
    VK系列UART器件的在嵌入式產(chǎn)品中的應(yīng)用領(lǐng)域包括：

    多串口服務(wù)器/多串口卡，工業(yè)/自動化現(xiàn)場RS-485控制，使用CDMA/GPRS MODEM的無線數(shù)據(jù)傳輸，車載信息平臺/車載GPS定位系統(tǒng)，遠(yuǎn)傳自動抄表(AMR)系統(tǒng)，稅控POS/銀行終端等金融機(jī)具，DSP數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)等。

其應(yīng)用實例如下：
4．1 VK32XX系列UART產(chǎn)品在稅控POS中的應(yīng)用

           VK32系列產(chǎn)品在嵌入式稅控POS平臺設(shè)計中的應(yīng)用

    稅控POS機(jī)是一個控制密集形的嵌入式系統(tǒng)，需要控制大量外設(shè)。其基本配置要求的串口打印機(jī)，MODEM，RS-485網(wǎng)絡(luò)接口，以及稅控IC卡(異步卡)都工作在基于UART的串行通信方式。同時，大量的外設(shè)如密碼鍵盤，條碼掃描器，條碼稱，接觸IC卡/非接觸IC卡讀卡器，磁卡讀卡器，串口顯示屏等設(shè)備都是通過RS-232串口與POS機(jī)相連。

    采用VK32XX系列UART器件，可以根據(jù)MCU/CPU的接口特性，選擇SPI/8位并行總線/UART進(jìn)行靈活的UART串口擴(kuò)展。該方案與采用目前GPIO來模擬串口的方案相比，占用CPU的I/O和資源都很少，即使普通的8位MCU也可以勝任。同時，擴(kuò)展的子串口都是標(biāo)準(zhǔn)的硬件UART，使得數(shù)據(jù)傳輸也更加可靠。

4．2 VK32XX系列UART器件在遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用

    如圖所示，遠(yuǎn)傳自動抄表系統(tǒng)由遠(yuǎn)傳表和集中抄表器以及MODEM等部分組成。
在遠(yuǎn)傳表中，應(yīng)用VK3212雙串口擴(kuò)展IC將單片機(jī)的一個UART擴(kuò)展成兩個UART，擴(kuò)展出來的兩個串口UART1和UART2分別接RS-485/M-BUS接口和紅外接口。VK3212的UART1設(shè)置為RS-485自動收發(fā)和RS-485網(wǎng)絡(luò)模式，可以無需MCU的控制，自動完成RS-485/M-BUS的數(shù)據(jù)自動收發(fā)和自動網(wǎng)絡(luò)地址識別。VK3212的UART2設(shè)置為紅外模式，用于連接遠(yuǎn)傳表的紅外設(shè)置窗口。

    在集中抄表器中，用一片SPI接口的4通道UART器件VK3234將擴(kuò)展出4個子串口UART，MCU通過SPI總線與VK3234相連。VK3234的子串口UART設(shè)置為RS-485自動收發(fā)模式，每個子通道UART控制的RS-485/MBUS收發(fā)器通過RS-485/M-BUS總線連接最多250個遠(yuǎn)傳表。一個基于VK3234的集中抄表器可以實現(xiàn)最多1000個遠(yuǎn)傳表的數(shù)據(jù)讀取。

    由于是通過SPI接口擴(kuò)展的串口，集中抄表器單片機(jī)自身的串口可以連接PSTN/GSM MODEM將集抄數(shù)據(jù)傳給遠(yuǎn)程服務(wù)器。

4.3 VK3224 SPI接口系列UART器件在嵌入式車載信息平臺中的應(yīng)用

    VK3233主接口有SPI和UART兩種接口可以選擇。嵌入式平臺中的DSP/CPU通過SPI/UART接口與VK3233相連，VK3233擴(kuò)展出來的三個子串口分別連接GPS模塊，倒車?yán)走_(dá)模塊和GSM/ CDMA模塊。MODEM控制線連接GSM/CDMA MOMEM。整個嵌入式系統(tǒng)共用一個顯示設(shè)備，有效的節(jié)省了車內(nèi)有限的空間。

4.4 ?VK3266系列8位并行總線接口產(chǎn)品在串口服務(wù)器中的應(yīng)用：

    在工業(yè)控制等領(lǐng)域，眾多設(shè)備的對外通訊接口仍然是低速串口。串口服務(wù)器將多個串口設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲、轉(zhuǎn)換以后通過IP網(wǎng)進(jìn)行傳輸。

    圖5顯示了一個8串口服務(wù)器（4個RS-232串口、4個RS485串口）的電路原理圖，嵌入式系統(tǒng)中的DSP/CPU的并行位數(shù)據(jù)線連接2片VK3266實現(xiàn)了8個串口的擴(kuò)展，通過地址譯碼器控制2片VK3266的CS實現(xiàn)片選控制。在上圖中，VK3266 A連接4個RS-232收發(fā)器，擴(kuò)展出了4個帶硬件流量控制信號的RS-232串口；VK3266 B則連接了4個RS-485收發(fā)器，將VK3266設(shè)置在RS-458自動收發(fā)控制模式下，通過RTS信號控制RS-485收發(fā)器的數(shù)據(jù)發(fā)送使能DE和數(shù)據(jù)讀取使能RD信號能實現(xiàn)RS-485的自動收發(fā)控制。

5． VK32系列UART器件的選型參考和設(shè)計建議
5.1 選型參考
    VK32系列UART包括5個產(chǎn)品系列，各個產(chǎn)品系列的特點(diǎn)如下：

    VK321X系列為主接口為UART的產(chǎn)品，僅通過RX，TX和GND三根信號線與主機(jī)相連，通過芯片內(nèi)部的處理協(xié)議采用時分復(fù)用的方式將一個串口擴(kuò)展成為2～4個可以同時工作的全雙工串口。在該模式下，MCU以查詢方式操作UART器件，設(shè)計中需要注意的是為保證在時分復(fù)用下各個子通道能夠同時全雙工通信，主接口的波特率需要設(shè)置為大于各個子串口波特率之和。VK321X產(chǎn)品適用于對通信速度要求不高，需要設(shè)計可靠簡單的嵌入式產(chǎn)品。

    VK322X系列產(chǎn)品的主接口為SPI同步傳行總線，最高傳輸速度為4M bit/s。適合于帶SPI接口的MCU/DSP擴(kuò)展異步串口。大多數(shù)DSP都只有同步串口，通過SPI接口實現(xiàn)異步串口的橋接和擴(kuò)展，可以簡化并行總線擴(kuò)展串口的硬件規(guī)模和模擬異步串口的軟件開銷。

    VK323X系列產(chǎn)品同時具備SPI和UART兩種可以選擇的主接口，擴(kuò)展子串口具備硬件流量控制和RS-485自動收發(fā)功能，尤其適合于需要高可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)腞S-485總線應(yīng)用。

    VK325X產(chǎn)品為8位并行總線接口的UART器件，VK326X為同時具備3種可選主機(jī)接口的UART器件。這兩個器件應(yīng)用于需要減少備貨種類，需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。

5.2 設(shè)計建議：
    異步IC卡的接口設(shè)計：遵從7816-3的異步IC卡為半雙工異步通信接口。在實際應(yīng)用中，可以將子串口的RX，TX短接后直接與IC卡的I/O信號連接，為可靠起見，也可以通過連接7407來驅(qū)動IC卡的I/O信號。

    MODEM接口的設(shè)計：目前的PSTN/GPRS/CDMA/GSM MODEM支持三線串口(TX，RX，GND)通過AT命令操作。但實際應(yīng)用中，僅僅使用三線串口容易丟包,造成數(shù)據(jù)重發(fā),使得上傳速度變慢,建議使用VK32系列中帶MODEM接口的UART器件，用DSR，DTR，RI，DCD來監(jiān)控MODEM狀態(tài)，用RTS，CTS來做流控，這樣速度可以達(dá)到最高.

    RS-485總線的設(shè)計：RS-485是目前工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最廣的半雙工通信系統(tǒng)。直接用MCU對RX485進(jìn)行控制，有一些細(xì)節(jié)難于處理：通過MCU的I/O對485收發(fā)控制，在系統(tǒng)復(fù)位時，I/O可能使485收發(fā)器處在發(fā)送狀態(tài)，造成總線上正在進(jìn)行的通信失效；在數(shù)據(jù)收發(fā)切換中，一般依靠發(fā)送緩沖的狀態(tài)來控制MCU的I/O對收發(fā)切換，而此時最后一個字節(jié)可能還在移位寄存器中，會造成少發(fā)送一個字節(jié)的情況；同時，當(dāng)RS485總線上有大量數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送時，MCU不得不花大量的資源去判斷該數(shù)據(jù)是否是發(fā)送給本機(jī)的，造成工作效率低。針對這些問題，建議用戶在需要用到RS-485時，選用帶有RS-485自動收發(fā)控制和9位網(wǎng)絡(luò)自動識別的器件。VK32系列UART器件可以工作在自動RS-485模式下：復(fù)位時，RTS處于接收狀態(tài)，只有在數(shù)據(jù)發(fā)送時，RTS才工作在發(fā)送狀態(tài)，當(dāng)最后一位數(shù)據(jù)從移位寄存器中發(fā)送完成后，RTS自動轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)。同時，VK32系列的UART支持9位網(wǎng)絡(luò)地址自動識別，僅當(dāng)RS-485總線上的地址與UART設(shè)定的RS-485網(wǎng)絡(luò)地址一致時，才產(chǎn)生中斷，可以使MCU從大量的與自己無關(guān)的數(shù)據(jù)處理中解脫出來，提高系統(tǒng)的處理能力。

    無鉛化是半導(dǎo)體行業(yè)勢不可擋的趨勢，VK32系列UART產(chǎn)品全部實現(xiàn)無鉛化封裝，在回流焊時需要注意焊接溫度需要滿足相應(yīng)的溫度要求。

小結(jié)：
    UART(通用異步串口)仍然目前嵌入式系統(tǒng)之間最可靠和最通用的傳輸方式，各種現(xiàn)行的串行通信總線/接口，如RS-232，RS-485，RS-422，M-BUS，LIN，IrDA等都是基于UART的。傳統(tǒng)的UART器件多為基于PC應(yīng)用設(shè)計的，功能復(fù)雜，操作繁瑣。VK32系列UART器件接口豐富，操作簡單，引腳精簡，功能強(qiáng)大，可以廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。