[導讀]VK3X多總線UART在嵌入式手持設備中擴展串口及Linux驅動設計
摘要： 本文介紹了一種基于VK3X芯片實現(xiàn)嵌入式手持設備擴展串口的設計方案，并給出了嵌Linux下驅動設計的方法和編程參考。
關鍵字： 嵌入式手持設備 VK3X UART 串口擴展 Linux驅動
隨著嵌入式手持設備的功能增強，CPU/DSP需要與更多的功能模塊連接，常見的諸如藍牙模塊，GPS模塊，GSM模塊，紅外模塊，讀卡器模塊等大多采用UART與CPU接口，而目前的CPU大多只提供2-3個串口，在設計中往往還需要留一個UART作為調試口，實際只有1-2個UART能用于連接外設模塊，因此需要對CPU進行UART串口擴展。
傳統(tǒng)的UART芯片因為尺寸，功耗等原因并不能完全滿足手持設備的需要。考慮到手持設備對芯片的尺寸，功耗均有較嚴格的要求，本設計中選用專門為手持設備提供的1.8v低電壓 VK3X系列QFN封裝UART 產品作為串口擴展芯片。
1.VK3X 系列低電壓UART器件的功能特點及原理架構介紹：
低電壓版的VK3X系列UART支持1.8V-3.3V工作電壓，-45℃ 到 +85℃工作溫度，每個子通道支持最高1Mbps的傳輸速率，支持休眠及自動喚醒功能，最低休眠電流僅為90uA。 采用QFN24（4x4x0.8mm）和QFN32 (5x5x0.8mm)超小封裝，完全滿足手持設備的設計要求。
VK3X系列 UART的原理框圖如下
VK3X系列內部結構包括主機接口，子通道部分，MODEM控制邏輯，中斷控制邏輯幾部分。
主機接口為VK3X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,IIC四種接口模式與主機相連。
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生和控制各種內部中斷。
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。
多主機總線接口可以根據(jù)實際設計需要選擇配置。
2． 基于VK3X的嵌入式手持設備擴展串口硬件設計：
2.1 UART、IIC總線擴展低速串口設計 （手持GPS設備）
VK3X的UART主機接口模式創(chuàng)新的實現(xiàn)了將一個標準3線異步串口（UART）擴展成為2～4個通道的串口（UART），為需要擴展串口的嵌入式系統(tǒng)提供了一個最簡潔的解決方案，應用于對速度要求不高的現(xiàn)有方案擴展升級多串口的應用中。
IIC總線主機接口模式實現(xiàn)了IIC擴展橋接2-4個通道的UART，適合對串口速度要求不高，MCU的IO有限的應用（如GPS）中。
本設計中采用VK302擴展2路低速串口，主接口有IIC和UART兩種接口可以選擇。嵌入式平臺中的DSP/CPU通過IIC或UART總線與VK302相連，擴展出來的二個子串口分別連接低速的GPS模塊和觸摸屏模塊。
2.2 SPI總線擴展高速串口設計 （GPS智能手機）
SPI總線主機接口模式可以通過高速的SPI同步串行口擴展2-4個通道的高速串口UART，廣泛應用于帶SPI同步串行接口的CPU,DSP擴展高速UART串口設計。
本設計中VK304主機接口工作在最高5Mbps的SPI總線從模式下，擴展出的4個子串口分別連接藍牙模塊（920kbps）, 紅外收發(fā)器（115.2kbps）,CDMA/GPRS模塊（230kbps）,GPS模塊（9.6kbps）。在設計中，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕珻DMA/GPRS于VK3X之間應用了硬件流量控制機制，通過RTS1,CTS1來實現(xiàn)硬件流量控制。
2.3 SPI/8位并行總線擴展高速串口及IO (智能雙模手機)
VK3X的8位并行總線接口模式針對嵌入式產品特點，采用了管腳復用設計減少了引腳，并通過精簡寄存器結構設計簡化軟件設計，可以替代16C55X系列產品應用于8位，16位，32位CPU擴展外部串口。用于并口輸入的IO也可以復用為GPIO，為系統(tǒng)提供IO擴展功能。適用于同時需要串口擴展和IO擴展的系統(tǒng)中。
在本設計中使用VK3368進行串口擴展和IO擴展。在雙模手機設計中，需要同時連接CDMA和GPRS兩種無線模塊，在CPU與模塊之間，除了TX、RX、RTS、CTS之外，還需要連接DTR、DCD等握手信號。DCD信號用于模塊是處于數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)還是處于AT命令傳送狀態(tài)，DTR信號用來通知模塊傳送工作已經結束（掛斷）。此處通過VK3368擴展出的GPIO實現(xiàn)握手信號的連接。
3．VK3X系列UART在Linux下的串口驅動設計
目前，Linux以其開放的特性已經廣泛的應用到手持設備中，Linux2.6是目前應用較廣的版本，在Linux2.6中，采用了新的drivers/serial/serial_core.c 基礎構架，更易于開發(fā)驅動程序，也很方便移植到其它版本的Linux中。下面以基于ARM9（S3C2440）的Linux（2.6內核）平臺為例，介紹采用SPI總線接口的VK3X的串口驅動設計示例 ：
VK3X驅動中包含的頭文件：
#include <linux/config.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/console.h>
#include <linux/serial_core.h>
#include <asm/irq.h>
#include <asm/hardware.h>
#include "serial_vk32xx.h"
初始化SPI函數(shù)：
inline void setup_spi(void)
{
SPCON0=SPCON_MSTR|SPCON_ENSCK;
SPPRE0=0x04;//set bandrate
write_gpio_bit(VK32_CS,1);
}
SPI發(fā)送函數(shù)：
uint8_t spi_send_byte(uint8_t dat)
{
write_gpio_bit(VK32_CS,0);
SPTDAT0=dat;
while(!(SPSTA0&SPSTA_READY));
write_gpio_bit(VK32_CS,1);
return SPRDAT0;
}
寫VK3X寄存器函數(shù)：
void vk3xxx_write_reg(uint8_t port,uint8_t reg,uint8_t dat)
{
spi_send_byte(0x80|((port-1)<<5)|(reg<<1));
spi_send_byte(dat);
}
讀VK3X寄存器函數(shù)：
uint8_t vk3xxx_read_reg(uint8_t port,uint8_t reg)
{
spi_send_byte(((port-1)<<5)+(reg<<1));
return spi_send_byte(0x00);
}
初始化VK3X函數(shù):
static int vk32xx_startup(struct uart_port *port, struct uart_info *info)
接收數(shù)據(jù)函數(shù)
static void
vk32xx_rx_chars(struct uart_info *info, struct pt_regs *regs)
{
uint8_t ssr;
struct tty_struct *tty = info->tty;
unsigned int ch, flg, ignored = 0;
struct uart_port *port = info->port;
……
}
發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)
static void vk32xx_tx_chars(struct uart_info *info)
{
struct uart_port * port = info->port;
uint8_t ssr;
……
}
VK3X中斷處理函數(shù)
static void vk32xx_int(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)
改變VK3X通信速度函數(shù)
static void vk32xx_change_speed(struct uart_port *port, u_int cflag, u_int iflag, u_int quot)
數(shù)據(jù)收發(fā)相關函數(shù)：
static void vk32xx_stop_tx(struct uart_port *port, u_int from_tty)
static void vk32xx_start_tx(struct uart_port *port, u_int nonempty, u_int from_tty)
static void vk32xx_stop_rx(struct uart_port *port)
控制相關函數(shù)：
static int vk32xx_startup(struct uart_port *port, struct uart_info *info)
static void vk32xx_shutdown(struct uart_port *port, struct uart_info *info)
static void vk32xx_change_speed(struct uart_port *port, u_int cflag, u_int iflag, u_int quot)
子通道操作相關函數(shù)：
static void vk32xx_config_port(struct uart_port *port, int flags)
static int vk32xx_verify_port(struct uart_port *port, struct serial_struct *ser)
static void vk32xx_init_ports(void)
驅動的接口結構如下：
static struct uart_ops vk32xx_pops = {
tx_empty: vk32xx_tx_empty,
set_mctrl: vk32xx_set_mctrl,
get_mctrl: vk32xx_get_mctrl,
stop_tx: vk32xx_stop_tx,
start_tx: vk32xx_start_tx,
stop_rx: vk32xx_stop_rx,
enable_ms: vk32xx_enable_ms,
break_ctl: vk32xx_break_ctl,
startup: vk32xx_startup,
shutdown: vk32xx_shutdown,
change_speed: vk32xx_change_speed,
type: vk32xx_type,
release_port: vk32xx_release_port,
request_port: vk32xx_request_port,
config_port: vk32xx_config_port,
verify_port: vk32xx_verify_port,
};
結束語
嵌入式手持設備需要越來越多的串口外設，在CPU自帶的UART串口通道不夠的情況下，需要進行串口擴展。針對嵌入式手持設備要求芯片小尺寸，低功耗，低電壓的需求，選用低電壓版本的VK3X進行串口擴展設計。在硬件設計上，根據(jù)不同應用，可以選用本文提供的低速串口擴展，高速串口擴展、高速串口及IO擴展等不同的參考設計方案。在驅動軟件方面，可以參考本文提供的Linux驅動設計參考進行驅動設計。
參考文獻：
<VK3X系列產品數(shù)據(jù)手冊>
關鍵字： 嵌入式手持設備 VK3X UART 串口擴展 Linux驅動
隨著嵌入式手持設備的功能增強，CPU/DSP需要與更多的功能模塊連接，常見的諸如藍牙模塊，GPS模塊，GSM模塊，紅外模塊，讀卡器模塊等大多采用UART與CPU接口，而目前的CPU大多只提供2-3個串口，在設計中往往還需要留一個UART作為調試口，實際只有1-2個UART能用于連接外設模塊，因此需要對CPU進行UART串口擴展。
傳統(tǒng)的UART芯片因為尺寸，功耗等原因并不能完全滿足手持設備的需要。考慮到手持設備對芯片的尺寸，功耗均有較嚴格的要求，本設計中選用專門為手持設備提供的1.8v低電壓 VK3X系列QFN封裝UART 產品作為串口擴展芯片。
1.VK3X 系列低電壓UART器件的功能特點及原理架構介紹：
低電壓版的VK3X系列UART支持1.8V-3.3V工作電壓，-45℃ 到 +85℃工作溫度，每個子通道支持最高1Mbps的傳輸速率，支持休眠及自動喚醒功能，最低休眠電流僅為90uA。 采用QFN24（4x4x0.8mm）和QFN32 (5x5x0.8mm)超小封裝，完全滿足手持設備的設計要求。
VK3X系列 UART的原理框圖如下
VK3X系列內部結構包括主機接口，子通道部分，MODEM控制邏輯，中斷控制邏輯幾部分。
主機接口為VK3X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,IIC四種接口模式與主機相連。
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生和控制各種內部中斷。
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。
多主機總線接口可以根據(jù)實際設計需要選擇配置。
2． 基于VK3X的嵌入式手持設備擴展串口硬件設計：
2.1 UART、IIC總線擴展低速串口設計 （手持GPS設備）
VK3X的UART主機接口模式創(chuàng)新的實現(xiàn)了將一個標準3線異步串口（UART）擴展成為2～4個通道的串口（UART），為需要擴展串口的嵌入式系統(tǒng)提供了一個最簡潔的解決方案，應用于對速度要求不高的現(xiàn)有方案擴展升級多串口的應用中。
IIC總線主機接口模式實現(xiàn)了IIC擴展橋接2-4個通道的UART，適合對串口速度要求不高，MCU的IO有限的應用（如GPS）中。
本設計中采用VK302擴展2路低速串口，主接口有IIC和UART兩種接口可以選擇。嵌入式平臺中的DSP/CPU通過IIC或UART總線與VK302相連，擴展出來的二個子串口分別連接低速的GPS模塊和觸摸屏模塊。
2.2 SPI總線擴展高速串口設計 （GPS智能手機）
SPI總線主機接口模式可以通過高速的SPI同步串行口擴展2-4個通道的高速串口UART，廣泛應用于帶SPI同步串行接口的CPU,DSP擴展高速UART串口設計。
本設計中VK304主機接口工作在最高5Mbps的SPI總線從模式下，擴展出的4個子串口分別連接藍牙模塊（920kbps）, 紅外收發(fā)器（115.2kbps）,CDMA/GPRS模塊（230kbps）,GPS模塊（9.6kbps）。在設計中，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕珻DMA/GPRS于VK3X之間應用了硬件流量控制機制，通過RTS1,CTS1來實現(xiàn)硬件流量控制。
2.3 SPI/8位并行總線擴展高速串口及IO (智能雙模手機)
VK3X的8位并行總線接口模式針對嵌入式產品特點，采用了管腳復用設計減少了引腳，并通過精簡寄存器結構設計簡化軟件設計，可以替代16C55X系列產品應用于8位，16位，32位CPU擴展外部串口。用于并口輸入的IO也可以復用為GPIO，為系統(tǒng)提供IO擴展功能。適用于同時需要串口擴展和IO擴展的系統(tǒng)中。
在本設計中使用VK3368進行串口擴展和IO擴展。在雙模手機設計中，需要同時連接CDMA和GPRS兩種無線模塊，在CPU與模塊之間，除了TX、RX、RTS、CTS之外，還需要連接DTR、DCD等握手信號。DCD信號用于模塊是處于數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)還是處于AT命令傳送狀態(tài)，DTR信號用來通知模塊傳送工作已經結束（掛斷）。此處通過VK3368擴展出的GPIO實現(xiàn)握手信號的連接。
3．VK3X系列UART在Linux下的串口驅動設計
目前，Linux以其開放的特性已經廣泛的應用到手持設備中，Linux2.6是目前應用較廣的版本，在Linux2.6中，采用了新的drivers/serial/serial_core.c 基礎構架，更易于開發(fā)驅動程序，也很方便移植到其它版本的Linux中。下面以基于ARM9（S3C2440）的Linux（2.6內核）平臺為例，介紹采用SPI總線接口的VK3X的串口驅動設計示例 ：
VK3X驅動中包含的頭文件：
#include <linux/config.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/console.h>
#include <linux/serial_core.h>
#include <asm/irq.h>
#include <asm/hardware.h>
#include "serial_vk32xx.h"
初始化SPI函數(shù)：
inline void setup_spi(void)
{
SPCON0=SPCON_MSTR|SPCON_ENSCK;
SPPRE0=0x04;//set bandrate
write_gpio_bit(VK32_CS,1);
}
SPI發(fā)送函數(shù)：
uint8_t spi_send_byte(uint8_t dat)
{
write_gpio_bit(VK32_CS,0);
SPTDAT0=dat;
while(!(SPSTA0&SPSTA_READY));
write_gpio_bit(VK32_CS,1);
return SPRDAT0;
}
寫VK3X寄存器函數(shù)：
void vk3xxx_write_reg(uint8_t port,uint8_t reg,uint8_t dat)
{
spi_send_byte(0x80|((port-1)<<5)|(reg<<1));
spi_send_byte(dat);
}
讀VK3X寄存器函數(shù)：
uint8_t vk3xxx_read_reg(uint8_t port,uint8_t reg)
{
spi_send_byte(((port-1)<<5)+(reg<<1));
return spi_send_byte(0x00);
}
初始化VK3X函數(shù):
static int vk32xx_startup(struct uart_port *port, struct uart_info *info)
接收數(shù)據(jù)函數(shù)
static void
vk32xx_rx_chars(struct uart_info *info, struct pt_regs *regs)
{
uint8_t ssr;
struct tty_struct *tty = info->tty;
unsigned int ch, flg, ignored = 0;
struct uart_port *port = info->port;
……
}
發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)
static void vk32xx_tx_chars(struct uart_info *info)
{
struct uart_port * port = info->port;
uint8_t ssr;
……
}
VK3X中斷處理函數(shù)
static void vk32xx_int(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)
改變VK3X通信速度函數(shù)
static void vk32xx_change_speed(struct uart_port *port, u_int cflag, u_int iflag, u_int quot)
數(shù)據(jù)收發(fā)相關函數(shù)：
static void vk32xx_stop_tx(struct uart_port *port, u_int from_tty)
static void vk32xx_start_tx(struct uart_port *port, u_int nonempty, u_int from_tty)
static void vk32xx_stop_rx(struct uart_port *port)
控制相關函數(shù)：
static int vk32xx_startup(struct uart_port *port, struct uart_info *info)
static void vk32xx_shutdown(struct uart_port *port, struct uart_info *info)
static void vk32xx_change_speed(struct uart_port *port, u_int cflag, u_int iflag, u_int quot)
子通道操作相關函數(shù)：
static void vk32xx_config_port(struct uart_port *port, int flags)
static int vk32xx_verify_port(struct uart_port *port, struct serial_struct *ser)
static void vk32xx_init_ports(void)
驅動的接口結構如下：
static struct uart_ops vk32xx_pops = {
tx_empty: vk32xx_tx_empty,
set_mctrl: vk32xx_set_mctrl,
get_mctrl: vk32xx_get_mctrl,
stop_tx: vk32xx_stop_tx,
start_tx: vk32xx_start_tx,
stop_rx: vk32xx_stop_rx,
enable_ms: vk32xx_enable_ms,
break_ctl: vk32xx_break_ctl,
startup: vk32xx_startup,
shutdown: vk32xx_shutdown,
change_speed: vk32xx_change_speed,
type: vk32xx_type,
release_port: vk32xx_release_port,
request_port: vk32xx_request_port,
config_port: vk32xx_config_port,
verify_port: vk32xx_verify_port,
};
結束語
嵌入式手持設備需要越來越多的串口外設，在CPU自帶的UART串口通道不夠的情況下，需要進行串口擴展。針對嵌入式手持設備要求芯片小尺寸，低功耗，低電壓的需求，選用低電壓版本的VK3X進行串口擴展設計。在硬件設計上，根據(jù)不同應用，可以選用本文提供的低速串口擴展，高速串口擴展、高速串口及IO擴展等不同的參考設計方案。在驅動軟件方面，可以參考本文提供的Linux驅動設計參考進行驅動設計。
參考文獻：
<VK3X系列產品數(shù)據(jù)手冊>
下載文檔
