多總線UART芯片在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用

　　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、遠程自動抄表系統(tǒng)、嵌入式車載信息平臺和串口服務(wù)器中的應(yīng)用技術(shù)。

　　UART產(chǎn)生于上個世紀70年代，是第一塊大規(guī)模集成電路。1981年的推出的IBM PC采用了8250 UART與外設(shè)進行數(shù)據(jù)通信，直到上個世紀末，UART一直是PC中最主要的串行通信接口。隨著高速串行總線USB的出現(xiàn)，USB以其諸多的優(yōu)點取代了UART成為個人電腦中應(yīng)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(shè)計人員普遍認為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，需要進行UART串口擴展。

　　
　　截止到目前，全球范圍內(nèi)有超過40種UART器件可以選擇，大多數(shù)UART器件是以計算機總線轉(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雜、引腳多、價格昂貴等弱點，不能滿足和適應(yīng)的嵌入式系統(tǒng)的需要。


VK系列UART器件

　　維肯公司針對嵌入式系統(tǒng)中UART的發(fā)展趨勢，設(shè)計推出了VK32xx系列新型多總線接口UART器件，其特點為：

　　1. 支持8位并行總線、SPI總線、UART等多種主機總線接口。其中，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進行UART串口擴展。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)進行通信。VK32系列SPI總線接口產(chǎn)品可以將一個SPI同步串行接口橋接/擴展成為1～4個通用異步串口，方便實現(xiàn)DSP和外設(shè)的異步串行通信。

　　UART接口產(chǎn)品創(chuàng)新地實現(xiàn)了將一個標準3線UART擴展成為2～4個增強功能UART。芯片內(nèi)置的UART擴展協(xié)議處理邏輯，無需其它的地址信號和控制信號線就可以實現(xiàn)多個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(tǒng)提供了一個最簡潔的解決方案。


　　2. 支持高速傳輸。每個子波特率可以獨立設(shè)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總線最高傳輸速率為4Mbps，主機8位并行總線的最高傳輸速率為10Mbps。

　　3. 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，有效地降低功耗。

　　4. 完善的FIFO功能。每個通道獨立的16級接收和發(fā)送FIFO，每個FIFO有4個可編程觸發(fā)點設(shè)置。完善的FIFO功能可以進行發(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?，提高CPU/DSP的效率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?BR>
　　5. 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。

　　6. 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擔，尤其適用于工業(yè)RS-485組網(wǎng)。

　　7. 每個通道具備獨立可控的數(shù)據(jù)廣播接收功能，可以應(yīng)用于需要數(shù)據(jù)廣播傳輸和控制的嵌入式系統(tǒng)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(chǔ)，對VK32系列UART芯片原理進行介紹。VK3200內(nèi)部結(jié)構(gòu)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M1、MO模式選擇信號線，可以分別選擇8位并行總線、SPI總線和UART三種接口與主機相連；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(chǎn)生和控制各種內(nèi)部中斷。


　　
　　時鐘發(fā)生器為芯片提供時鐘，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：主機接口將從主口總線發(fā)送來的數(shù)據(jù)進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行設(shè)置，IR編解碼器用于對紅外信號進行編解碼，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。