扩展UART的设计过程、原理及实例 - 全文

　　通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），通常称作UART，是一种异步收发传输器，是电脑硬件的一部分。它将要传输的资料在串行通信与并行通信之间加以转换。作为把并行输入信号转成串行输出信号的芯片，UART通常被集成于其他通讯接口的连结上。具体实物表现为独立的模块化芯片，或作为集成于微处理器中的周边设备。一般是RS-232C规格的，与类似Maxim的MAX232之类的标准信号幅度变换芯片进行搭配，作为连接外部设备的接口。

　　目前，UART（UniversalAsynchronousReceiverTransmitter，通用异步收发器）接口的使用越来越广泛，许多设备上都提供了UART接口。工业使用的微处理器一般都只包括2个UART口。在实际工业数据发送和采集应用系统中，为了节省资源，微处理器直接通过UART口与设备进行数据交互。

　　这样势必会导致微处理器的UART口不够，为了方便设备的接入，因此扩展UART口是一种理想的解决方案。同时，考虑到微处理器的SPI/I2C总线上可以连接多个总线器件，为了充分利用资源，在实际应用中可以通过SPI/I2C实施对UART接口的扩展。

　　本文提出了一种SPI扩展UART的方法，主要采用SC16IS752芯片进行UART接口扩展。SC16IS752提供了标准SPI总线接口，只需要微处理器能提供标准的SPI或模拟SPI总线接口。整个设计简捷、经济，具有通用性。

　　最后介绍了扩展接口在无线数据采集集中器中的应用，可方便地使用扩展出的UART口连接相应的无线通信模块，实现数据的采集和通信。

　　SPI总线

　　串行外围设备接口（SerialPeripheralInterface，SPI）是Motorola公司推出的一种同步串行接口，其硬件功能强大，因此与SPI有关的软件比较简单［2］。一般情况下，实现SPI通信需要3～4根线：同步时钟（SCK）线，用于实现主器件和从器件在MISO和MOSI线上串行数据传输的同步;主输出/从输入（MOSI）线，用于主器件的输出或从器件的输入;主输入/从输出（MISO）线，用于主器件的输入或从器件的输出;片选控制（CS）线，用于从设备的选择。SPI的工作模式有4种，本文采用了其中的一种主模式。

　　SC16IS752扩展芯片

　　SC16IS752是NXP公司推出的一款通过SPI/I2C总线扩展为UART接口的芯片［3］。扩展出双通道高性能的UART，并且能到达5Mbps的数据率;提供8个额外的可编程的I/O脚;还可以提供数据速率高达115.2kbps的IrDA。另外，SC16IS752还具有其他高级的特性，例如自动硬件和软件流控制、自动的RS485支持和软件复位作为UART扩展接口芯片，SC16IS752的引脚定义并不复杂，如图1所示。

　　

　　XTAL1、XTAL2引脚用来连接晶振电路，CS/A0用作SPI片选或者I2C总线器件地址选择A0;I2C/SPI为I2C总线或SPI总线接口选择;IRQ中断引脚。其他引脚就主要包括扩展后的2个UART及I/O。带有SPI接口的微处理器与SC16IS752的连接十分方便;如果不带SPI接口，则可以通过I/O口来实现模拟SPI口的功能。

　　扩展UART的设计过程及原理

　　3.1SPI—UART的工作过程

　　SPI接口协议要求接口设备按主从方式进行配置，且同一时间内总线上只能有一个主器件。主输出/从输入（MOSI）信号是主器件的输出和从器件的输入，数据传输时最高位在先;主输入/从输出（MISO）信号是从器件的输出和主器件的输入，数据传输时也是最高位在先。串行时钟（SCLK）信号是用于同步主器件和从器件之间在MOSI和MISO线上的串行数据传输。在整个数据传输过程中，片选信号（CS）应该处于低电平状态。在扩展方案中，微处理器作为主器件，SC16IS752作为从器件。因此，在设置SPI控制器时，应该设置SPI为从机。具体工作时序如图2和图3所示。

　　

　　3.2 软件设计

　　软件设计的依据：一是硬件系统连接关系;二是SPI的工作时序;三是SC16IS752的工作方式。程序主要包括对SPI接口和SC16IS752的初始化、数据的发送和接收。SPI接口的初始化。如果处理器提供标准的SPI口，那么只需要选择SPI引脚功能，然后设置输入/输出;如果处理器不带标准的SPI口，可以通过普通的I/O口来模拟SPI接口，完成引脚的设置后，还需要对SPI的模式、时钟频率进行设置。SC16IS752的初始化。通过SC16IS752转换为串口输出，所以必须考虑到串口的波特率、数据位、停止位、校验位等的设置。同时，在实验过程中，采用接收中断，这些也是在初始化SC16IS752时要考虑的。波特率的计算公式如下

　　

　　在下面的程序中，给出了对SC16IS752扩展出的A通道的初始化。

　　

　　数据的发送。SC16IS752发送器部分由一个发送保存寄存器（THR）和发送移位寄存器（TSR）组成。THR实际是一个64字节FIFO。THR接收数据并将其移入TSR，然后在TSR中将其转化为串行数据并在TX端移出。处理器将数据通过SPI总线送入SC16IS752的发送寄存器中，等待数据被取走。

　　数据的接收。SC16IS752接收器由一个接收保存寄存器（RHR）和接收移位寄存器（RSR）组成。RHR实际上是一个64字节FIFO。RSR接收RXD端的串行数据，然后将数据转化为并行数据转移到RHR。

　　一般的情况下，为了系统设计的方便，可以选择SC16IS752的数据发送所采用的查询方式;而接收数据是通过芯片的IRQ引脚触发处理器的外部中断，产生中断信号，通知处理器接收和处理数据。其工作程序流程如图4所示。

　　

　　扩展UART接口实例

　　采用SPI扩展出的UART可满足标准串行端口UART的要求，而且操作简单。设置串口的波特率、数据位、停止位和校验位，数据的发送与接收都可由用户自行定义。笔者在无线数据采集集中器系统中，对扩展UART的可行性和实用性进行了论证。下面以无线数据采集集中器为例，说明SC16IS752的实际应用。

　　4.1 可行性

　　在设计无线数据采集集中器过程中，选用了NXP公司的LPC2148作为集中器的处理器［4］。LPC2148自带2个UART口，而无线数据采集集中器需要4个UART，分别为RS232数据传输、红外数据传输、接收数据UART和无线通信UART口。很明显，需要扩展UART口才能满足要求。微处理器LPC2148有标准的SPI/I2C总线，因此笔者就选择了SC16IS752作为UART的扩展芯片。

　　SC16IS752具有16C450可兼容的寄存器集，扩展出的UART引脚分别为TX、RX、RTS和CTS。这些都和标准的UART［5］一样，只是初始化的设置不同。初始化完成后，具体操作函数和标准的UART接口操作类似。只是芯片在读取和发送数据时，与微处理器的数据交互是通过SPI总线进行的。

　　4.2 应用设计

　　集中器系统具体设计硬件连接图如图5所示。SC16IS752的IRQ直接与LPC2148的外部中断EINT1连接。扩展的UART接收到数据后，就会通过IRQ产生一个低电平触发外部中断，而在处理器的外部中断服务程序中处理接收到的数据。在实际集中器测试中，扩展出的UART口与标准的UART具有同样功效。芯片的晶振频率采用1.8432MHz，与晶振连接的是22pF的电容，芯片需要采用3.3V电源供电。与CPU连接的引脚共有6个，功能如表1所列。其中，SPI配置必需的引脚是MO2SI、MISO、SCK。因为选用芯片的功能是SPI转UART，所以直接把I2C/SPI引脚接地。

　　总结

　　UART广泛用于Modem、手持工业设备、条形阅读器、测试设备、消费产品与PC机之间，以及小型网络之间的通信。本文结合微处理器的SPI或I2C接口功能，设计了一种扩展UART接口;微处理器没有标准的SPI或I2C接口时，也可通过普通的I/O来模拟SPI/I2C总线。

　　扩展出的UART应用于实际无线数据采集系统，实验结果表明，完全能够达到标准UART接口的要求。处理器的UART口不够用时，也可通过此方案达到设计的要求。