SPI息線的UART擴(kuò)展方法

1 SPI總線
    串行外圍設(shè)備接口(Serial Peripheral Interface，SPI)是Motorola公司推出的一種同步串行接口，其硬件功能強(qiáng)大，因此與SPI有關(guān)的軟件比較簡單。一般情況下，實現(xiàn)SPI通信需要3～4根線：同步時鐘(SCK)線，用于實現(xiàn)主器件和從器件在MISO和MOSI線上串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐剑恢鬏敵觯瘡妮斎?MOSI)線，用于主器件的輸出或從器件的輸入；主輸入／從輸出(MISO)線，用于主器件的輸入或從器件的輸出；片選控制(CS)線，用于從設(shè)備的選擇。SPI的工作模式有4種，本文采用了其中的一種主模式。

2 SCl6IS752擴(kuò)展芯片
    SCl6IS752是NXP公司推出的一款通過SPI／I2C總線擴(kuò)展為UART接口的芯片。擴(kuò)展出雙通道高性能的UART，并且能到達(dá)5 Mbps的數(shù)據(jù)率；提供8個額外的可編程的I／O腳；還可以提供數(shù)據(jù)速率高達(dá)115．2 kbps的IrDA。另外，SCl6IS752還具有其他高級的特性，例如自動硬件和軟件流控制、自動的RS485支持和軟件復(fù)位。
    作為UART擴(kuò)展接口芯片，SCl6IS752的引腳定義并不復(fù)雜，如圖1所示。XTAL1、XTFAL2引腳用來連接晶振電路，CS/A0用作SPI片選或者I2C總線器件地址選擇A0；I2C／SPI為I2C總線或SPI總線接口選擇；IRQ中斷引腳。其他引腳就主要包括擴(kuò)展后的2個UART及I／O。

    帶有SPI接口的微處理器與SCl6IS752的連接十分方便；如果不帶SPI接口，則可以通過I／O口來實現(xiàn)模擬SPI口的功能。

3 擴(kuò)展UART的設(shè)計過程及原理
3．1 SPI-UART的工作過程
    SPI接口協(xié)議要求接口設(shè)備按主從方式進(jìn)行配置，且同一時間內(nèi)總線上只能有一個主器件。主輸出／從輸入(MOSI)信號是主器件的輸出和從器件的輸入，數(shù)據(jù)傳輸時最高位在先；主輸入／從輸出(MISO)信號是從器件的輸出和主器件的輸入，數(shù)據(jù)傳輸時也是最高位在先。串行時鐘(SCLK)信號是用于同步主器件和從器件之間在MOSI和MISO線上的串行數(shù)據(jù)傳輸。在整個數(shù)據(jù)傳輸過程中，片選信號(CS)應(yīng)該處于低電平狀態(tài)。
    在擴(kuò)展方案中，微處理器作為主器件，SCl6IS752作為從器件。因此，在設(shè)置SPI控制器時，應(yīng)該設(shè)置SPI為從機(jī)。具體工作時序如圖2和圖3所示。

3．2 軟件設(shè)計
    軟件設(shè)計的依據(jù)：一是硬件系統(tǒng)連接關(guān)系；二是SPI的工作時序；三是SCl6IS752的工作方式。程序主要包括對SPI接口和SCl6IS752的初始化、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。
    SPI接口的初始化。如果處理器提供標(biāo)準(zhǔn)的SPI口，那么只需要選擇SPI引腳功能，然后設(shè)置輸入／輸出；如果處理器不帶標(biāo)準(zhǔn)的SPI口，可以通過普通的I／0口來模擬SPI接口，完成引腳的設(shè)置后，還需要對SPI的模式、時鐘頻率進(jìn)行設(shè)置。
    SCl6IS752的初始化。通過SCl6IS752轉(zhuǎn)換為串口輸出，所以必須考慮到串口的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗位等的設(shè)置。同時，在實驗過程中，采用接收中斷，這些也是在初始化SCl6IS752時要考慮的。
    波特率的計算公式如下：

    在下面的程序中，給出了對SC16IS752擴(kuò)展出的A通道的初始化。

    
    數(shù)據(jù)的發(fā)送。SCl6IS752發(fā)送器部分由一個發(fā)送保存寄存器(THR)和發(fā)送移位寄存器(TSR)組成。THR實際是一個64字節(jié)FIFO。THR接收數(shù)據(jù)并將其移入TSR，然后在TSR中將其轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)并在TX端移出。處理器將數(shù)據(jù)通過SPI總線送入SCl6IS752的發(fā)送寄存器中，等待數(shù)據(jù)被取走。
    數(shù)據(jù)的接收。SCl6IS752接收器由一個接收保存寄存器(RHR)和接收移位寄存器(RSR)組成。RHR實際上是一個64字節(jié)FIFO。RSR接收RXD端的串行數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到RHR。
   一般的情況下，為了系統(tǒng)設(shè)計的方便，可以選擇SCl6IS752的數(shù)據(jù)發(fā)送所采用的查詢方式；而接收數(shù)據(jù)是通過芯片的IRQ引腳觸發(fā)處理器的外部中斷，產(chǎn)生中斷信號，通知處理器接收和處理數(shù)據(jù)。其工作程序流程如圖4所示。

4 擴(kuò)展UART接口實例
    采用SPI擴(kuò)展出的UART可滿足標(biāo)準(zhǔn)串行端口UART的要求，而且操作簡單。設(shè)置串口的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗位，數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收都可由用戶自行定義。筆者在無線數(shù)據(jù)采集集中器系統(tǒng)中，對擴(kuò)展UART的可行性和實用性進(jìn)行了論證。下面以無線數(shù)據(jù)采集集中器為例，說明SCl6IS752的實際應(yīng)用。
4．1 可行性
    在設(shè)計無線數(shù)據(jù)采集集中器過程中，選用了NXP公司的LPC2148作為集中器的處理器。LPC2148自帶2個UART口，而無線數(shù)據(jù)采集集中器需要4個UART，分別為RS232數(shù)據(jù)傳輸、紅外數(shù)據(jù)傳輸、接收數(shù)據(jù)UART和無線通信UART口。很明顯，需要擴(kuò)展UART口才能滿足要求。微處理器LPC2148有標(biāo)準(zhǔn)的SPI／I2C總線，因此筆者就選擇了SCl6IS752作為UART的擴(kuò)展芯片。
    SCl6IS752具有16C450可兼容的寄存器集，擴(kuò)展出的UART引腳分別為TX、RX、RTS和CTS。這些都和標(biāo)準(zhǔn)的UART一樣，只是初始化的設(shè)置不同。初始化完成后，具體操作函數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的UART接口操作類似。只是芯片在讀取和發(fā)送數(shù)據(jù)時，與微處理器的數(shù)據(jù)交互是通過SPI總線進(jìn)行的。
4．2 應(yīng)用設(shè)計
    集中器系統(tǒng)具體設(shè)計硬件連接圖如圖5所示。SCl6IS752的IRQ直接與LPC2148的外部中斷EINTl連接。擴(kuò)展的UART接收到數(shù)據(jù)后，就會通過IRQ產(chǎn)生一個低電平觸發(fā)外部中斷，而在處理器的外部中斷服務(wù)程序中處理接收到的數(shù)據(jù)。在實際集中器測試中，擴(kuò)展出的UART口與標(biāo)準(zhǔn)的UART具有同樣功效。芯片的晶振頻率采用1．843 2 MHz，與晶振連接的是22 pF的電容，芯片需要采用3．3 V電源供電。與CPU連接的引腳共有6個，功能如表1所列。其中，SPI配置必需的引腳是MO-SI、MISO、SCK。因為選用芯片的功能是SPI轉(zhuǎn)UART，所以直接把12C／SPI引腳接地。

結(jié) 語
    UART廣泛用于Modem、手持工業(yè)設(shè)備、條形閱讀器、測試設(shè)備、消費(fèi)產(chǎn)品與PC機(jī)之間，以及小型網(wǎng)絡(luò)之間的通信。本文結(jié)合微處理器的SPI或I2C接口功能，設(shè)計了一種擴(kuò)展UART接口；微處理器沒有標(biāo)準(zhǔn)的SPI或I2C接口時，也可通過普通的I／O來模擬SPI／I2C總線。擴(kuò)展出的UART應(yīng)用于實際無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實驗結(jié)果表明，完全能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)UART接口的要求。處理器的UART口不夠用時，也可通過此方案達(dá)到設(shè)計的要求。