RS-232多串口擴展器件SP2538及其應用

關鍵詞：RS-232；串口擴展；單片機；SP2538

１　概述

ＳＰ２５３８是專用低功耗串行口擴展芯片，該芯片主要是為解決當前基于ＵＡＲＴ串口通信的外圍智能模塊及器件較多，而單片機或ＤＳＰ原有的ＵＡＲＴ串口又過少的問題而推出的。利用該器件可將現有單片機或ＤＳＰ的單串口擴展至５個全雙工串口。與其它具有多串口的單片機或串口擴展方案相比，采用ＳＰ２５３８實現的多串口擴展方案，具有擴展串口數量多、對擴展單片機的軟硬件資源占用少、使用方法簡單、待擴展串口可實現較高的波特率、成本低廉、性價比高等優點。同時，它還具有如下特點：

●可將單ＵＡＲＴ串口擴展為５個ＵＡＲＴ串口；

●工作速率范圍寬，５個子串口可產生２４００ｂｐｓ～９６００ｂｐｓ之間的任意波特率；

●可全雙工工作，母串口和所有子串口都支持全雙工ＵＡＲＴ傳輸模式；

●工作電源電壓范圍寬：３．３Ｖ～５．５Ｖ；

●典型工作電流為４．６ｍＡ(子串口速率為９６００ｂｐｓ、ＶＣＣ為３．３Ｖ時)；

●資源占用少，除占用上位機原有串行口中斷外，不占用任何中斷資源；

●具有節電模式，進入節電模式后，其典型靜態電流約８μＡ；

●上位機發送數據可自動喚醒；

●輸出誤差小，所有子串口的輸出波特率誤差均小于０．０８％；

●誤碼率低于１０－９（所有串行口數據輸入波特率誤差小于等于２％）；

●接收范圍寬，波特率誤差小于２．５％時，子串口即可完全正確接收；母串口的接收范圍更寬，并可自適應５６０００ｂｐｓ和５７６００ｂｐｓ兩種標準波特率（ｆｏｓｃ―ｉｎ 為２０．０ＭＨｚ時）；

● 可用上位機進行監控，并具有上電復位和看門狗監控輸出，適用于沒有看門狗或需要更多重監控的高可靠上位機程序監控系統。

２　引腳功能

ＳＰ２５３８具有雙列直插ＤＩＰ及雙列貼片ＳＯＩＣ兩種封裝形式。后綴為ＳＰ２５３８ｘｘＨ的復位時輸出高電平而后綴為ＳＰ２５３８ｘｘＬ的復位時輸出低電平，可分別適用高、低電平復位的單片機。圖１給出了ＤＩＰ封裝高電平復位ＳＰ２５３８ＤＰＨ的外形及引腳排列圖，各引腳的功能說明列于表１。

表1 SP2538引腳說明

３　應用說明

３．１ 母串口收發數據過程與時序

（１）上位機接收來自母串口的數據

上位機從母串口接收到一個字節數據后，會立即讀?。樱校玻担常傅妮敵龅刂罚粒模遥希病粒模遥希埃ň幋a方式為：８－４－２－１碼），然后根據輸出地址的編碼即可判斷接收到的數據來自哪個子串口，上位機接收來自母串口的數據時序如圖２所示。

（２）上位機向母串口發送數據

發送數據時，上位機首先通過串口寫入欲發送數據的子串口號，即先由上位機的串口發送數據地址ＡＤＲＩ２～ＡＤＲＩ０（編碼方式：８－４－２－１碼），然后將欲發送的數據由上位機串口發出。需要注意的是：母串口的波特率是子串口的６倍，即上位機在連續向母串口發送６個字節的時間內，子串口才能發送完一個字節。上位機向母串口發送數據的時序如圖３所示。表２列出了ＳＰ２５３８的操作時限要求。

表2 SP2538操作時限

３．２ 其它說明

母串口和所有子串口內部均具有獨立的數據發送緩沖存儲器（ＦＩＦＯ Ｂｕｆｆｅｒ）和接收緩沖存儲器（ＦＩＦＯ Ｂｕｆｆｅｒ），所有的ＲＳ２３２串行口都支持全雙工異步傳輸模式，即所有串行口都可以同時獨立接收和發送數據，且不會丟失任何數據。

母串口波特率由Ｋ１＝２８８０ ｆｏｓｃ－ｉｎ計算，其單位為ＭＨｚ，且ｆｏｓｃ―ｉｎ小于２０．０Ｈｚ。在ＳＰ２５３８輸入時鐘ｆｏｓｃ―ｉｎ為２０．０ＭＨｚ時，母串口可自動適應上位機的５６０００ｂｐｓ和５７６００ｂｐｓ兩種標準波特率輸入，即ｆｏｓｃ―ｉｎ為２０．０ＭＨｚ時，上位機的ＲＳ２３２波特率可以設置成５６０００ｂｐｓ或５７６００ｂｐｓ。子串口波特率為：Ｋ２＝４８０ ｆｏｓｃ―ｉｎ 。

母串口和所有子串口都是ＴＴＬ電平接口，可直接與單片機或ＴＴＬ數字電路接口，若需連接ＰＣ機，則必須增加電平轉換芯片，如ＭＡＸ２０２，ＩＣＬ２３２等。

ＳＰ２５３８具有內置的上電復位電路和可關閉的看門狗監控電路，用于監控上位機程序是否正常運行，同時也可以簡化上位機復位電路的設計。上位機寫命令字“０ｘ１０”可實現喂狗，而寫命令字“０ｘ１５”則可關閉看門狗（初次上電后，看門狗處于激活狀態），寫命令字“０ｘ２０”可激活看門狗監控功能。

上位機可通過芯片復位指令（命令字為“０ｘ３５”）在任何時候對芯片進行指令復位（復位時間Ｔｒｅｓｅｔ小于５０μｓ）。

圖2和圖3

上位機可通過芯片睡眠指令（命令字為“０ｘ５５”）使芯片在任何時候進入微功耗睡眠模式，以降低系統功耗。初次上電后，芯片不會自行進入睡眠模式。應當注意的是，只能由上位機發送任意一個字節數據將其喚醒，而其它所有子串口均不能將其喚醒。

未使用的輸入端口（如：ＲＸ０、ＲＸ１、ＲＸ２…等）必須連接到ＶＣＣ，未使用的輸出端口（如：ＴＸ０、ＴＸ１、ＴＸ２…、ＡＤＲＯ０、ＡＤＲＯ１…等）必須懸空。

４ 應用實例

ＳＰ２５３８的應用領域包括數據采集、工業控制、儀器儀表、智能家電、醫療設備、稅控加油機、商業ＰＯＳ機、家庭安防控制、車輛監控和調度、ＧＰＳ衛星定位與導航、有線及無線數據傳輸、基于ＰＣ機的多串口卡、水、電、氣表抄表系統、室外多媒體電子廣告以及其它對通信穩定性、成本和開發周期要求比較嚴格的各種應用和工業ＭＯＤＥＭ陣列等方面。

４．１ 應用電路

利用ＳＰ２５３８可將僅有一個ＵＡＲＴ串口的單片機擴展為具有５個ＵＡＲＴ串口的單片機。圖４以常用的ＡＴ８９Ｃ５２單片機為例給出了相應的串口擴展電路。圖中，ＡＴ８９Ｃ５２的全雙工串口與ＳＰ２５３８的母串口５相連。該串口５同時也作為命令／數據口。ＳＰ２５３８的ＡＤＲＩ０、ＡＤＲＩ１、ＡＤＲＩ２分別與ＡＴ８９Ｃ５２的Ｐ２．３、Ｐ２．４、Ｐ２．５口相連，可用于選擇發送數據時的相應串口０～４，ＡＤＲＯ０、ＡＤＲＯ１、ＡＤＲＯ２與ＡＴ８９Ｃ５２的Ｐ２．０、Ｐ２．１、Ｐ２．２口線相連，可用于判別接收的數據來自串口０～４的哪一個。ＳＰ２５３８的時鐘頻率可選為２０ＭＨｚ，此時母串口５的波特率為５７６００ｂｐｓ，串口０～４的波特率為９６００ｂｐｓ。

４．２ 應用程序

下面是與上述硬件電路相關的接口程序，該程序用Ｃ５１語言編制，程序分為上位機發送、接收中斷服務程序和主程序兩部分。

ｕｃｈａｒ ｉｄａｔａ ｕａｒｔ０_ｔ_ｂｕｔ[８];?

ｕｃｈａｒ ｉｄａｔａ ｓｅｎｄ_ｂｕｆ[８];

ｕｃｈａｒ ｉｄａｔａ ｕａｒｔ０_ｒ_ｂｕｔ

ｕｃｈａｒ ｉｄａｔａ ｕａｒｔ０_ｓｅｎｄ_ｎｕｍ

ｕｃｈａｒ ｉｄａｔａ ｕａｒｔ_ｐｏｒｔ_ｎｕｍ,ｓｅｎｄ_ｂｙｔｅ_ｎｕｍ,ｕａｒｔ_ｐｏｉｎｔ-ｅｒ?

ｂｉｔ ｂｄａｔａ ｗｒｉｔｅ ｓｕｃｃｅｓｓ,ｕａｒｔ_ｂｕｓｙ;

ｂｉｔ ｂｄａｔａ ｕａｒｔ０_ｒｅｃｅｉｖｅ

ｓｂｉｔ ＡＤＲＩ_０＝Ｐ２＾０;

ｓｂｉｔ ＡＤＲＩ_１＝Ｐ２＾１;

ｓｂｉｔ ＡＤＲＩ_２＝Ｐ２＾２;

ｓｂｉｔ ＡＤＲＯ_０＝Ｐ２＾３;

ｓｂｉｔ ＡＤＲＯ_１＝Ｐ２＾４;

ｓｂｉｔ ＡＤＲＯ_２＝Ｐ２＾５;

ｓｅｒｉａｌ()ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ４ ｕｓｉｎｇ３{ ／／上位機ＲＳ２３２接收、發送中斷入口

ｉｆ(ＲＩ){?

ＲＩ＝０;

Ｓｗｉｔｃｈ(Ｐ２＆０ｘ０７){

ｃａｓｅ

ｕａｒｔ０_ｒ_ｂｕｆ＝ＳＢＵＦ

ｕａｒｔ０_ｒｅｃｅｉｖｅ＝１

ｂｒｅａｋ;

}

ｅｌｓｅ {

ＴＩ＝０;

ｓｗｉｔｃｈ(ｕａｒｔ_ｐｏｉｎｔｅｒ){

ｃａｓｅ

ｕａｒｔ_ｐｏｉｎｔｅｒ＋＋;

ｉｆ(ｕａｒｔ０_ｓｅｎｄ_ｎｕｍ){

ＡＤＲＯ_０＝０;

ＡＤＲＯ_１＝０;

ＡＤＲＯ_２＝０;

Ｕａｒｔ０_ｓｅｎｄ_ｎｕｍ－－;

ＳＢＵＦ＝ｕａｒｔ０_ｔ_ｂｕｆ[ｕａｒｔ０_ｓｅｎｄ_ｎｕｍ]

ｕａｒｔ_ｂｕｓｙ＝１

ｂｒｅａｋ;

}

ｅｌｓｅｉｆ(ｕａｒｔ１_ｓｅｎｄ_ｎｕｍ｜ｕａｒｔ２_ｓｅｎｄ_ｎｕｍ｜ｕａｒｔ３_ｓｅｎｄ＿ｎｕｍ｜ｕａｒｔ４_ｓｅｎｄ_ｎｕｍ)

{

ＡＤＲＯ_０＝０

ＡＤＲＯ_１＝０

ＡＤＲＯ_２＝０

ＳＢＵＦ＝０ｘ００

ｕａｒｔ_ｂｕｓｙ＝１

ｂｒｅａｋ;

}

ｅｌｓｅ {ｕａｒｔ_ｂｕｓｙ＝０;ｂｒｅａｋ;}

}

注： ｃａｓｅ１：…

ｃａｓｅ２：…

ｃａｓｅ３：…

ｃａｓｅ４：…

除地址不同外其余同ｃａｓｅ０。

Ｖｏｉｄ ｕａｒｔ_ｓｅｎｄ(ｕｎｃｈａｒ ｕａｒｔ_ｐｏｒｔ_ｎｕｍ,ｕｃｈａｒ ｓｅｎｄ_ｂｙｔｅ ｎｕｍ){

ｕｃｈａｒ ｉ

ｓｗｉｔｃｈ（ｕａｒｔ_ｐｏｒｔ_ｎｕｍ）“

ｃａｓｅ

ｆｏｒ（ｉ＝０；ｉ＜ｓｅｎｄ_ｂｙｔｅ_ｎｕｍ；ｉ＋＋）{

ｕａｒｔ０_ｔ_ｂｕｆｆ[ｉ]＝ｓｅｎｄ_ｂｕｆ[ｉ];?

}

ｕａｒｔ０_ｓｅｎｄ_ｎｕｍ＝ｓｅｎｄ_ｂｙｔｅ_ｎｕｍ;

ｗｒｉｔｅ_ｓｕｃｃｅｓｓ＝１;

ｉｆ（ｕａｒｔ_ｂｕｓｙ＝＝０）{

Ｔ１＝１;

ｕａｒｔ_ｐｏｉｎｔｅｒ＝０;

ｂｒｅａｋ；

}

ｅｌｓｅ{ｂｒｅａｋ;}?

}

注： ｃａｓｅ１：…

ｃａｓｅ２：…

ｃａｓｅ３：…

ｃａｓｅ４：…

除地址不同外其余同ｃａｓｅ０。

ｍａｉｎ(){

ＴＭＯＤ＝０ｘ２０；

ＴＨＩ＝０ｘｆｆ；

ＴＣＯＮ＝０ｘ４０；

ＳＣＯＮ＝０ｘ５０；

ＰＣＯＮ＝０ｘ８０； ／／波特率加倍

ＩＥ＝０ｘ９０；

ＰＩ＝０；

ｗｈｉｌｅ（１）“?

ｓｅｎｄ_ｂｕｆ[０]＝０ｘ３１;

ｗｒｉｔｅ_ｓｕｃｃｅｓｓ＝０;

ｉｆ(!ｕａｒｔ０_ｓｅｎｄ_ｎｕｍ){

ｕａｒｔ_ｓｅｎｄ(０,４)

}

}

}

５　結束語

近年來，以單片機為核心構成的具有ＵＡＲＴ接口的智能儀器儀表及智能模塊不斷涌現，此類產品可方便地與單片機構成分布式系統。另一方面，系統中的單片機也要與上位計算機之間進行通信，從而構成二級分布式系統。ＳＰ２５３８的出現為此類多串口應用領域提供了一個良好的解決方案。