嵌入式系統(tǒng)新型多總線UART器件的原理是什么？有哪些應(yīng)用？

UART產(chǎn)生于上個(gè)世紀(jì)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(jìn)行數(shù)據(jù)通信，直到上個(gè)世紀(jì)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(diǎn)取代了UART成為個(gè)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(jiǎn)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1，200米以上），設(shè)計(jì)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(huì)自帶一個(gè)UART串口，但實(shí)際應(yīng)用中一個(gè)串口往往不夠用，需要進(jìn)行UART串口擴(kuò)展。

圖1

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(jì)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(duì)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(jià)格昂貴等弱點(diǎn)，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(duì)嵌入式系統(tǒng)中UART的發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)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。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(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(jiǎn)控制寄存器設(shè)計(jì)，并通過管腳復(fù)用減少了芯片管腳，簡(jiǎn)化的軟件設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)同步SPI串口到異步UART串口的橋接和擴(kuò)展，尤其針對(duì)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。VK32系列SPI總線接口產(chǎn)品可以將一個(gè)SPI同步串行接口橋接/擴(kuò)展成為1~4個(gè)通用異步串口，方便實(shí)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(shí)現(xiàn)了將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)3線UART擴(kuò)展成為2~4個(gè)增強(qiáng)功能UART。芯片內(nèi)置的UART擴(kuò)展協(xié)議處理邏輯，無(wú)需其它的地址信號(hào)和控制信號(hào)線就可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)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(gè)最簡(jiǎn)潔的解決方案。

圖2 VK32系列產(chǎn)品在嵌入式稅控POS平臺(tái)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2. 支持高速傳輸。每個(gè)子波特率可以獨(dú)立設(shè)置子串口最高通信速度可以達(dá)到920kbps（5V工作電壓），主機(jī)支持的SPI總線最高傳輸速率為4Mbps，主機(jī)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(jì)?？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(shè)計(jì)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(dú)立的16級(jí)接收和發(fā)送FIFO，每個(gè)FIFO有4個(gè)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(duì)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?/p>

5. 子串口通道具備軟件或硬件自動(dòng)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(dòng)控制功能和自動(dòng)9位網(wǎng)絡(luò)地址識(shí)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)。

7. 每個(gè)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*能最全的型號(hào)，本文以VK3200的原理圖為基礎(chǔ)，對(duì)VK32系列UART芯片原理進(jìn)行介紹。VK3200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VK3200與CPU/DSP相連的接口，通過M1、MO模式選擇信號(hào)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(jī)相連；MODEM控制邏輯用于與MODEM相連時(shí)的狀態(tài)信號(hào)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(shí)鐘發(fā)生器為芯片提供時(shí)鐘，可以用CLKSEL引線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(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(lái)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(hào)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(duì)各個(gè)子通道進(jìn)行設(shè)置，IR編解碼器用于對(duì)紅外信號(hào)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(shí)的自動(dòng)流量控制。

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(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)RS-485控制，使用CDMA/GPRS MODEM的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，車載信息平臺(tái)/車載GPS定位系統(tǒng)，遠(yuǎn)傳自動(dòng)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(shí)例如下：

1. 在稅控POS中的應(yīng)用

稅控POS機(jī)是一個(gè)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(shí)，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(lái)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(shí)，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。

2. 在遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用

如圖3所示，遠(yuǎn)傳自動(dòng)抄表系統(tǒng)由遠(yuǎn)傳表和集中抄表器以及MODEM等部分組成。

圖3 VK32系列產(chǎn)品在遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

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(gè)UART擴(kuò)展成兩個(gè)UART，擴(kuò)展出來(lái)的兩個(gè)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(dòng)收發(fā)和RS-485網(wǎng)絡(luò)模式，可以無(wú)需MCU的控制，自動(dòng)完成RS-485/M-BUS的數(shù)據(jù)自動(dòng)收發(fā)和自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)地址識(shí)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(gè)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(dòng)收發(fā)模式，每個(gè)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(gè)遠(yuǎn)傳表。一個(gè)基于VK3234的集中抄表器可以實(shí)現(xiàn)最多1，000個(gè)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。

3. 在嵌入式車載信息平臺(tái)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(tái)中的DSP/CPU通過SPI/UART接口與VK3233相連，VK3233擴(kuò)展出來(lái)的三個(gè)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 MODEM。整個(gè)嵌入式系統(tǒng)共用一個(gè)顯示設(shè)備，有效地節(jié)省了車內(nèi)有限的空間。

圖4 VK3233在嵌入式車載信息平臺(tái)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

4. 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(duì)外通訊接口仍然是低速串口。串口服務(wù)器將多個(gè)串口設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換以后通過IP網(wǎng)進(jìn)行傳輸。

圖5顯示了一個(gè)8串口服務(wù)器（4個(gè)RS-232串口、4個(gè)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片實(shí)現(xiàn)了8個(gè)串口的擴(kuò)展，通過地址譯碼器控制2片的CS實(shí)現(xiàn)片選控制。在上圖中， A連接4個(gè)RS-232收發(fā)器，擴(kuò)展出了4個(gè)帶硬件流量控制信號(hào)的RS-232串口；B則連接了4個(gè)RS-485收發(fā)器，將設(shè)置在RS-458自動(dòng)收發(fā)控制模式下，通過RTS信號(hào)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(hào)，能實(shí)現(xiàn)RS-485的自動(dòng)收發(fā)控制。

圖5 在串口服務(wù)器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

選型參考和設(shè)計(jì)建議

1. 選型參考

VK32系列UART包括5個(gè)產(chǎn)品系列，各個(gè)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(hào)線與主機(jī)相連，通過芯片內(nèi)部的處理協(xié)議采用時(shí)分復(fù)用的方式將一個(gè)串口擴(kuò)展成為2~4個(gè)可以同時(shí)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(jì)中需要注意的是為保證在時(shí)分復(fù)用下各個(gè)子通道能夠同時(shí)全雙工通信，主接口的波特率需要設(shè)置為大于各個(gè)子串口波特率之和。VK321x產(chǎn)品適用于對(duì)通信速度要求不高，需要設(shè)計(jì)可靠簡(jiǎn)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4Mbps。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(shí)現(xiàn)異步串口的橋接和擴(kuò)展，可以簡(jiǎn)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(shí)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(dòng)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(shí)具備3種可選主機(jī)接口的UART器件。這兩個(gè)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。

2. 設(shè)計(jì)建議

異步IC卡的接口設(shè)計(jì)。遵從7816-3的異步IC卡為半雙工異步通信接口。在實(shí)際應(yīng)用中，可以將子串口的RX和TX短接后直接與IC卡的I/O信號(hào)連接，為可靠起見，也可以通過連接7407來(lái)驅(qū)動(dòng)IC卡的I/O信號(hào)。

MODEM接口的設(shè)計(jì)。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(shí)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和DCD來(lái)監(jiān)控MODEM狀態(tài)，用RTS和CTS來(lái)做流控，這樣速度可以達(dá)到最高。

RS-485總線的設(shè)計(jì)。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(duì)RX485進(jìn)行控制，有一些細(xì)節(jié)難于處理：通過MCU的I/O對(duì)485收發(fā)控制，在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，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(lái)控制MCU的I/O對(duì)收發(fā)切換，而此時(shí)最后一個(gè)字節(jié)可能還在移位寄存器中，會(huì)造成少發(fā)送一個(gè)字節(jié)的情況；同時(shí)，當(dāng)RS485總線上有大量數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送時(shí)，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(duì)這些問題，建議用戶在需要用到RS-485時(shí)，選用帶有RS-485自動(dòng)收發(fā)控制和9位網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)識(shí)別的器件。

VK32系列UART器件可以工作在自動(dòng)RS-485模式下：復(fù)位時(shí)，RTS處于接收狀態(tài)，只有在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，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(dòng)轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)。同時(shí)，VK32系列的UART支持9位網(wǎng)絡(luò)地址自動(dòng)識(shí)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(shí)，才產(chǎn)生中斷，可以使MCU從大量的與自己無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)處理中解脫出來(lái)，提高系統(tǒng)的處理能力。

無(wú)鉛化是半導(dǎo)體行業(yè)勢(shì)不可擋的趨勢(shì)，VK32系列UART產(chǎn)品全部實(shí)現(xiàn)無(wú)鉛化封裝，在回流焊時(shí)需要注意焊接溫度滿足相應(yīng)的溫度要求。