VK32系列多總線UART串口擴展芯片的原理和應用
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摘 要：UART以其簡單可靠，抗干擾強，傳輸距離遠，組網(wǎng)方便，被認為是嵌入式系統(tǒng)中進行串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴逊绞?。本文介紹了專為嵌入式系統(tǒng)設計的VK32系列新型多總線接口UART器件的原理及應用技術。
1．嵌入式系統(tǒng)中串口擴展的需求：
而在嵌入式領域，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)絡可以傳輸1200米以上），設計人員普遍認為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用在工業(yè)、通信、和家電控制等嵌入式領域。通常MCU/CPU都會自帶一個UART串口，但實際應用中一個串口往往不夠用，需要進行UART串口擴展。
目前的大多數(shù)UART器件是以計算機總線轉(zhuǎn)換UART為應用基礎的，其通用性、管腳、寄存器與20年前很少改變，針對嵌入式應用，目前的UART器件普遍存在操作復雜，引腳多，價格較高等弱點，不能滿足和適應的嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的需要。
針對嵌入式系統(tǒng)中UART的發(fā)展趨勢，維肯電子設計推出了VK32XX系列新型多總線接口UART器件，其特點為：
支持8位并行總線，SPI總線，UART等多種主機總線接口：
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計），并通過管腳復用減少了芯片管腳，簡化的軟件設計和PCB設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進行通信。V32系列SPI總線接口可以將一個SPI同步串行接口橋接/擴展成為1～4個通用異步串口，方便的實現(xiàn)DSP和外設的異步串行通信。
UART接口產(chǎn)品創(chuàng)新的實現(xiàn)了將一個標準3線異步串口（UART）擴展成為2～4個增強功能串口（UART）。芯片內(nèi)置的UART擴展協(xié)議處理邏輯，無需無需其它的地址信號、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。
支持高速傳輸，每個子波特率可以獨立設置為300bps—960 kbps，主機支持的SPI總線 最高傳輸速率為5M bits/s, 主機8位并行總線的最高傳輸速率為10M bit/s.
寬工作電壓和低功耗設計，考慮到目前嵌入式領域中新型的DSP/FPGA的工作電壓大多為2.5V，而大量的工業(yè)控制領域的MCU仍然需要在5V電壓下工作，VK32系列UART設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，有效的降低功耗。
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)牟僮鳎岣逤PU/DSP的效率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?
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。
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)。
每個通道具備獨立可控的數(shù)據(jù)廣播接收功能，可以應用與需要數(shù)據(jù)廣播傳輸和控制的嵌入式系統(tǒng)中。
所有UART（包括UART主接口和子通道UART）都支持IrDA紅外通信.
2．VK32系列新型多總線接口UART器件的原理及框圖：
VK3266是VK32系列中功能最全的型號，本文以VK3266的原理圖為基礎，對VK32系列UART芯片原理進行介紹：
VK3266原理框圖
VK3266內(nèi)部結構包括主機接口，子通道部分，MODEM控制邏輯，中斷控制邏輯幾部分。
主機接口為VK3266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，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)生器為芯片的提供時鐘，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。
3．VK32系列多種總線的主機接口和操作：
3．1 SPI主機接口連接和操作：
如圖所示 SPI與主機（CPU或者DSP）接口包括如下四個信號： SDIN：SPI數(shù)據(jù)輸入。 SDOUT：SPI數(shù)據(jù)輸出。SCLK：SPI串行時鐘。SCS：SPI片選（從屬選擇）。
VK32XX工作在SPI同步串行通信的從機模式下 ，支持SPI模式0標準。為實現(xiàn)主機和VK32XX的通信，在主機端需要設置CPOL=0(SPI時鐘極性選擇位),CPHA=0( SPI時鐘相位選擇位)。SPI接口的操作時序如圖9.2所示：
SPI接口讀寫操作：
SPI寫寄存器操作
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控制字節(jié) CMD |
數(shù)據(jù)字節(jié) DB | ||||||||||||||
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BIT |
15 |
14 |
13 |
12 |
11 |
10 |
9 |
8 |
7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
0 |
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DIN |
1 |
C1 |
C0 |
A3 |
A2 |
A1 |
A0 |
D8t |
D7t |
D6t |
D5t |
D4t |
D3t |
D2t |
D1t |
D0t |
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DOUT |
INT1 |
INT2 |
INT3 |
INT4 |
X |
X |
X |
X |
TC3 |
TC2 |
TC1 |
TC0 |
RC3 |
RC2 |
RC1 |
RC0 |
SPI讀寄存器
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控制字節(jié) CMD |
數(shù)據(jù)字節(jié) DB | ||||||||||||||
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BIT |
15 |
14 |
13 |
12 |
11 |
10 |
9 |
8 |
7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
0 |
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DIN |
0 |
C1 |
C0 |
A3 |
A2 |
A1 |
A0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
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DOUT |
INT1 |
INT2 |
INT3 |
INT4 |
X |
X |
X |
X |
D7r |
D6r |
D5r |
D4r |
D3r |
D2r |
D1r |
D0r |
各位的原理
C1 C0：子串口通道號? 00~11分別對應子串口1到子串口4；
A3-A0：子串口寄存器地址
D8t：9位數(shù)據(jù)長度發(fā)送時第9位的數(shù)據(jù)
INT1—INT4：通道1到4的中斷標志
TC3—TC0：發(fā)送FIFO數(shù)據(jù)的個數(shù)
RC3—RC0：接收FIFO數(shù)據(jù)的個數(shù)?
3．2 UART主機接口的連接和操作：
當VK32XX的主接口為UART時，僅需要RX，TX連接主機。采用標準的UART協(xié)議進行通信。上電后，主機以VK32XX的復位值所確定的波特率和數(shù)據(jù)格式對VK32XX進行初始化設置后即可方便的實現(xiàn)串口擴展功能。
VK32XX與主機的接口如圖所示：
UART接口與主機連接圖
主UART接口的操作時序
寫操作時，先向VK3266的RX寫入一個命令字節(jié)（Command Byte）,隨后寫入相應的數(shù)據(jù)字節(jié)，其操作時序（無校驗，禁止轉(zhuǎn)義和紅外模式）如圖10.2所示：
UART主接口寫操作時序
讀操作時，先向VK3266的RX寫入命令字節(jié)，相應的數(shù)據(jù)字節(jié)從TX讀取，其操作時序（無校驗，禁止轉(zhuǎn)義和紅外模式）如圖
UART主接口讀操作時序
主UART通信傳輸協(xié)議描述：
寫寄存器：
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控制字節(jié) CMD |
1個數(shù)據(jù)字節(jié) DB(下行) | ||||||||||||||
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BIT |
7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
0 |
7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
0 |
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TX |
1 |
0 |
C1 |
C0 |
A3 |
A2 |
A1 |
A0 |
D7 |
D6 |
D5 |
D4 |
D3 |
D2 |
D1 |
D0 |
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RX |
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寫FIFO：(多字節(jié)寫入)
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控制字節(jié) CMD |
[N3 N2 N1 N0]個數(shù)據(jù)字節(jié) DB(下行) | ||||||||||||||
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BIT |
7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
0 |
7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
0 |
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TX |
1 |
1 |
C1 |
C0 |
N3 |
N2 |
N1 |
N0 |
D7 |
D6 |
D5 |
D4 |
D3 |
D2 |
D1 |
D0 |
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RX |
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讀寄存器：
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控制字節(jié) CMD |
1個數(shù)據(jù)字節(jié) DB(上行) | ||||||||||||||
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BIT |
7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
0 |
7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
0 |
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TX |
0 |
0 |
C1 |
C0 |
N3 |
N2 |
N1 |
N0 |
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RX |
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D7 |
D6 |
D5 |
D4 |
D3 |
D2 |
D1 |
D0 |
讀FIFO：（多字節(jié)讀?。?
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