多總線(xiàn)UART芯片在嵌入式系統設計中的應用

　　本文介紹了專(zhuān)為嵌入式系統設計的VK32系列新型多總線(xiàn)接口通用異步串行收發(fā)接器（UART）器件的原理以及在稅控POS、遠程自動(dòng)抄表系統、嵌入式車(chē)載信息平臺和串口服務(wù)器中的應用技術(shù)。

　　UART產(chǎn)生于上個(gè)世紀70年代，是第一塊大規模集成電路。1981年的推出的IBM PC采用了8250 UART與外設進(jìn)行數據通信，直到上個(gè)世紀末，UART一直是PC中最主要的串行通信接口。隨著(zhù)高速串行總線(xiàn)USB的出現，USB以其諸多的優(yōu)點(diǎn)取代了UART成為個(gè)人電腦中應用最廣泛的串行接口。

　　而在嵌入式領(lǐng)域，由于UART具有操作簡(jiǎn)單、工作可靠、抗干擾強、傳輸距離遠（組成485網(wǎng)絡(luò )可以傳輸1,200米以上），設計人員普遍認為UART是從CPU或微控制器向系統的其他部分傳輸數據的最佳方式，因此它們被大量地應用在工業(yè)、通信和家電控制等嵌入式領(lǐng)域。通常MCU/CPU都會(huì )自帶一個(gè)UART串口，但實(shí)際應用中一個(gè)串口往往不夠用，需要進(jìn)行UART串口擴展。

　　
　　截止到目前，全球范圍內有超過(guò)40種UART器件可以選擇，大多數UART器件是以計算機總線(xiàn)轉換UART為應用基礎的，其通用性、管腳、寄存器與20年前很少改變。針對嵌入式應用，目前的UART器件普遍存在操作復雜、引腳多、價(jià)格昂貴等弱點(diǎn)，不能滿(mǎn)足和適應的嵌入式系統的需要。


VK系列UART器件

　　維肯公司針對嵌入式系統中UART的發(fā)展趨勢，設計推出了VK32xx系列新型多總線(xiàn)接口UART器件，其特點(diǎn)為：

　　1. 支持8位并行總線(xiàn)、SPI總線(xiàn)、UART等多種主機總線(xiàn)接口。其中，8位并行總線(xiàn)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串口擴展。VK32系列8位并行總線(xiàn)接口UART產(chǎn)品采用了精簡(jiǎn)控制寄存器設計，并通過(guò)管腳復用減少了芯片管腳，簡(jiǎn)化的軟件設計和PCB設計都更適合嵌入式系統需求。

　　SPI接口總線(xiàn)系列產(chǎn)品為帶有SPI接口的DSP、MCU實(shí)現同步SPI串口到異步UART串口的橋接和擴展，尤其針對目前廣泛應用的DSP系統，大多數DSP都只有同步串口，只能用于與具有同步通信接口的外設進(jìn)行通信。VK32系列SPI總線(xiàn)接口產(chǎn)品可以將一個(gè)SPI同步串行接口橋接/擴展成為1～4個(gè)通用異步串口，方便實(shí)現DSP和外設的異步串行通信。

　　UART接口產(chǎn)品創(chuàng )新地實(shí)現了將一個(gè)標準3線(xiàn)UART擴展成為2～4個(gè)增強功能UART。芯片內置的UART擴展協(xié)議處理邏輯，無(wú)需其它的地址信號和控制信號線(xiàn)就可以實(shí)現多個(gè)獨立配置的全雙工串口擴展，為需要擴展串口的嵌入式系統提供了一個(gè)最簡(jiǎn)潔的解決方案。


　　2. 支持高速傳輸。每個(gè)子波特率可以獨立設置子串口最高通信速度可以達到920kbps（5V工作電壓），主機支持的SPI總線(xiàn)最高傳輸速率為4Mbps，主機8位并行總線(xiàn)的最高傳輸速率為10Mbps。

　　3. 寬工作電壓和低功耗設計?？紤]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設計的工作電壓范圍為2.5V～5.5V。同時(shí)，該系列芯片可以工作在自動(dòng)休眠和喚醒模式下，有效地降低功耗。

　　4. 完善的FIFO功能。每個(gè)通道獨立的16級接收和發(fā)送FIFO，每個(gè)FIFO有4個(gè)可編程觸發(fā)點(diǎn)設置。完善的FIFO功能可以進(jìn)行發(fā)送/接收的數據緩沖，減少DSP/CPU對數據傳輸的操作，提高CPU/DSP的效率和數據傳輸的可靠性。

　　5. 子串口通道具備軟件或硬件自動(dòng)流量控制，滿(mǎn)足高速數據傳輸中流量控制的需要。

　　6. 子串口具備可編程的硬件RS-485自動(dòng)控制功能和自動(dòng)9位網(wǎng)絡(luò )地址識別功能，大大降低處理器的負擔，尤其適用于工業(yè)RS-485組網(wǎng)。

　　7. 每個(gè)通道具備獨立可控的數據廣播接收功能，可以應用于需要數據廣播傳輸和控制的嵌入式系統中。

　　8. 所有UART（包括UART主接口和子通道UART）都支持IrDA紅外通信。


VK系列UART器件的原理及框圖

　　VK3200是VK32系列中功能最全的型號，本文以VK3200的原理圖為基礎，對VK32系列UART芯片原理進(jìn)行介紹。VK3200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VK3200與CPU/DSP相連的接口，通過(guò)M1、MO模式選擇信號線(xiàn)，可以分別選擇8位并行總線(xiàn)、SPI總線(xiàn)和UART三種接口與主機相連；MODEM控制邏輯用于與MODEM相連時(shí)的狀態(tài)信號線(xiàn)的監控和控制；中斷控制邏輯用于產(chǎn)生和控制各種內部中斷。


　　
　　時(shí)鐘發(fā)生器為芯片提供時(shí)鐘，可以用CLKSEL引線(xiàn)選擇從晶振還是外部時(shí)鐘源獲取時(shí)鐘。子通道邏輯部分處理各個(gè)的數據接收和發(fā)送。數據發(fā)送的處理過(guò)程為：主機接口將從主口總線(xiàn)發(fā)送來(lái)的數據進(jìn)行處理后傳送到相應的子通道FIFO，FIFO里的數據經(jīng)過(guò)流量控制邏輯后，在波特率發(fā)生器的作用下，通過(guò)發(fā)送移位寄存器順次將數據發(fā)送到TX串行輸出信號線(xiàn)上，接收數據與此正好相反。子通道處理模塊中，控制寄存器用于對各個(gè)子通道進(jìn)行設置，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據時(shí)的自動(dòng)流量控制。