vk32系列多總線uart串口擴展芯片的原理和應用_secret

1、PAGE PAGE 22VK32系列多總線UART串口擴展芯片的原理和應用摘要：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)淖罴逊绞健１疚慕榻B了專為嵌入式系統(tǒng)設計的VK32 HYPERLINK 系列新型多總線接口UART器件的 HYPERLINK 原理及 HYPERLINK 應用技術。 1嵌入式系統(tǒng)中 HYPERLINK 串口 HYPERLINK 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

2、方式，因此它們被大量地 HYPERLINK 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 HYPERLINK 串口，但實際 HYPERLINK 應用中一個 HYPERLINK 串口往往不夠用，需要進行UART HYPERLINK 串口 HYPERLINK 擴展。 目前的大多數(shù)UART器件是以計算機總線轉換UART為 HYPERLINK 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 HYPERLINK 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

3、，維肯電子設計推出了VK32XX HYPERLINK 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 HYPERLINK 系列UART用于為8位，16位，32位MCU進行UART HYPERLINK 串口 HYPERLINK 擴展。VK32 HYPERLINK 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 HYPERLINK 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 HYPERLINK 系列產(chǎn)品為帶有SPI接口的

4、DSP、MCU實現(xiàn)同步SPI HYPERLINK 串口到異步UART HYPERLINK 串口的橋接和 HYPERLINK 擴展，尤其針對目前廣泛 HYPERLINK 應用的DSP系統(tǒng)，大多數(shù)DSP都只有同步 HYPERLINK 串口，只能用于與具有同步通信接口的外設進行通信。V32 HYPERLINK 系列SPI總線接口可以將一個SPI同步串行接口橋接/ HYPERLINK 擴展成為14個通用異步 HYPERLINK 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 HYPERLINK 串口（UART） HYPERLINK 擴展成為24個增強功能

5、HYPERLINK 串口（UART）。 HYPERLINK 芯片內(nèi)置的UART HYPERLINK 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 HYPERLINK 串口 HYPERLINK 擴展，為需要 HYPERLINK 擴展 HYPERLINK 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300bps960 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

6、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 HYPERLINK 系列UART設計的工作電壓范圍為2.5V5.5V。同時，該 HYPERLINK 系列 HYPERLINK 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?，提高CPU/DSP的效率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?子 HYPERLINK 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 HYPERLINK

7、 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 HYPERLINK 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. 2VK32 HYPERLINK 系列新型多總線接口UART器件的 HYPERLINK 原理及框圖： VK3266是VK32 HYPERLINK 系列中功能最全的型號，本文以VK3266的 HYPERLINK 原理圖為基礎，對VK32 HYPERLINK 系列UART HYPERLI

8、NK 芯片 HYPERLINK 原理進行介紹： VK3266 HYPERLINK 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 HYPERLINK 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

9、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。 3VK32 HYPERLINK 系列多種總線的主機接口和操作： 31 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

10、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 SPI 控制字節(jié) CMD 數(shù)據(jù)字節(jié) DB BIT 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 DIN 1 C1 C0 A3 A2 A1 A0 D8t D7t D6t D5t D4t D3t D2t D1t D0t DOUT INT1 INT2 I

11、NT3 INT4 X X X X TC3 TC2 TC1 TC0 RC3 RC2 RC1 RC0 SPI讀寄存器 分類 控制字節(jié) CMD 數(shù)據(jù)字節(jié) DB BIT 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 DIN 0 C1 C0 A3 A2 A1 A0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 DOUT INT1 INT2 INT3 INT4 X X X X D7r D6r D5r D4r D3r D2r D1r D0r 各位的 HYPERLINK 原理 C1 C0：子 HYPERLINK 串口通道號? 0011分別對應子 HYPERLINK 串口1到子 HYPERL

12、INK 串口4； A3-A0：子 HYPERLINK 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) INT1INT4：通道1到4的中斷標志 TC3TC0：發(fā)送FIFO數(shù)據(jù)的個數(shù) RC3RC0：接收FIFO數(shù)據(jù)的個數(shù)? 32 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) HYPERLINK 串口 HYPERLINK 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

13、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： 分類 控制字節(jié) CMD 1個數(shù)據(jù)字節(jié) DB(下行) BIT 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 TX 1 0 C1 C0 A3 A2 A1 A0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

14、 RX 寫FIFO：(多字節(jié)寫入) 分類 控制字節(jié) CMD N3 N2 N1 N0個數(shù)據(jù)字節(jié) DB(下行) BIT 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 TX 1 1 C1 C0 N3 N2 N1 N0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 RX 讀寄存器： 分類 控制字節(jié) CMD 1個數(shù)據(jù)字節(jié) DB(上行) BIT 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 TX 0 0 C1 C0 N3 N2 N1 N0 RX D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 讀FIFO：（多字節(jié)讀?。?分類 控制字節(jié) CMD N3 N2 N1 N0個

15、數(shù)據(jù)字節(jié) DB(上行) BIT 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 TX 0 1 C1 C0 N3 N2 N1 N0 RX D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 說明： C1,C0：子 HYPERLINK 串口通道號， 0011分別對應子 HYPERLINK 串口1到子 HYPERLINK 串口4。 A3,A2,A1,A0:子 HYPERLINK 串口寄存器地址； N3,N2,N1,N0:寫入/讀取FIFO的數(shù)據(jù)字節(jié)個數(shù)；當其為0000時，表明后接1個數(shù)據(jù)字節(jié)；當其為1111時，表明后接16個數(shù)據(jù)字節(jié)； 向子 HYPERLINK 串口讀/寫數(shù)據(jù)有兩種方法：

16、 讀/寫寄存器方式，對子 HYPERLINK 串口FIFO寄存器SFDR（1111）進行讀/寫操作,一次只能讀/寫一個字節(jié)； 讀/寫FIFO方式，對接收/發(fā)送FIFO直接進行讀/寫操作，一次最多可以讀寫16個連續(xù)數(shù)據(jù) 33 8位并行總線主機接口的連接和操作 VK3266支持8位并行總線與主機連接，在8位總線模式下，VK3266僅需要占用兩個地址空間，一個用來操作地址寄存器，一個用來操作數(shù)據(jù)寄存器。當采用查詢方式工作時，IRQ可以不連接。 其連接如圖所示： 并行8位總線主接口連接圖 并行8位總線接口的操作時序： VK3266的8位并行總線接口完全兼容主流的8位MCU（如8051）的操作時序。 .

17、寫操作時序： 8位總線寫操作時序 讀操作時序： 并行8位總線讀操作時序 并行8位總線傳輸協(xié)議描述： 寫寄存器： 分類 控制字節(jié) CMD （A0=0） 1個數(shù)據(jù)字節(jié) DB(下行) （A0=1） BIT 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 0 1 C1 C0 A3 A2 A1 A0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 讀寄存器： 分類 控制字節(jié) CMD （A0=0） 1個數(shù)據(jù)字節(jié) DB(上行) （A0=1） BIT 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0 C1 C0 A3 A2 A1 A0 D7 D6 D5 D4 D3 D2

18、D1 D0 說明： C1,CO：子 HYPERLINK 串口通道號，0011分別對應子 HYPERLINK 串口1到子 HYPERLINK 串口4 A3,A2,A1,A0:子 HYPERLINK 串口寄存器地址 4 VK HYPERLINK 系列新型多總線接口UART器件在嵌入式系統(tǒng)中的 HYPERLINK 應用： VK HYPERLINK 系列UART器件的在嵌入式產(chǎn)品中的 HYPERLINK 應用領域包括： 多 HYPERLINK 串口服務器/多 HYPERLINK 串口卡，工業(yè)/自動化現(xiàn)場RS-485控制，使用CDMA/GPRS MODEM的無線數(shù)據(jù)傳輸，車載信息平臺/車載GPS定位系統(tǒng)

19、，遠傳自動抄表(AMR)系統(tǒng)，稅控POS/銀行終端等金融機具，DSP數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)等。 其 HYPERLINK 應用實例如下： 41 VK32XX HYPERLINK 系列UART產(chǎn)品在稅控POS中的 HYPERLINK 應用 VK32 HYPERLINK 系列產(chǎn)品在嵌入式稅控POS平臺設計中的 HYPERLINK 應用 稅控POS機是一個控制密集形的嵌入式系統(tǒng)，需要控制大量外設。其基本配置要求的 HYPERLINK 串口打印機，MODEM，RS-485網(wǎng)絡接口，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，大量的外設如密碼鍵盤，條碼掃描器，條碼稱，接觸IC卡/非接觸I

20、C卡讀卡器，磁卡讀卡器， HYPERLINK 串口顯示屏等設備都是通過RS-232 HYPERLINK 串口與POS機相連。 采用VK32XX HYPERLINK 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進行靈活的UART HYPERLINK 串口 HYPERLINK 擴展。該方案與采用目前GPIO來模擬 HYPERLINK 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， HYPERLINK 擴展的子 HYPERLINK 串口都是標準的硬件UART，使得數(shù)據(jù)傳輸也更加可靠。 42 VK32XX HYPERLI

21、NK 系列UART器件在遠程自動抄表系統(tǒng)中的 HYPERLINK 應用 如圖所示，遠傳自動抄表系統(tǒng)由遠傳表和集中抄表器以及MODEM等部分組成。 在遠傳表中， HYPERLINK 應用VK3212雙 HYPERLINK 串口 HYPERLINK 擴展IC將單片機的一個UART HYPERLINK 擴展成兩個UART， HYPERLINK 擴展出來的兩個 HYPERLINK 串口UART1和UART2分別接RS-485/M-BUS接口和紅外接口。VK3212的UART1設置為RS-485自動收發(fā)和RS-485網(wǎng)絡模式，可以無需MCU的控制，自動完成RS-485/M-BUS的數(shù)據(jù)自動收發(fā)和自動網(wǎng)絡

22、地址識別。VK3212的UART2設置為紅外模式，用于連接遠傳表的紅外設置窗口。 在集中抄表器中，用一片SPI接口的4通道UART器件VK3234將 HYPERLINK 擴展出4個子 HYPERLINK 串口UART，MCU通過SPI總線與VK3234相連。VK3234的子 HYPERLINK 串口UART設置為RS-485自動收發(fā)模式，每個子通道UART控制的RS-485/MBUS收發(fā)器通過RS-485/M-BUS總線連接最多250個遠傳表。一個基于VK3234的集中抄表器可以實現(xiàn)最多1000個遠傳表的數(shù)據(jù)讀取。 由于是通過SPI接口 HYPERLINK 擴展的 HYPERLINK 串口，集

23、中抄表器單片機自身的 HYPERLINK 串口可以連接PSTN/GSM MODEM將集抄數(shù)據(jù)傳給遠程服務器。 4.3 VK3224 SPI接口 HYPERLINK 系列UART器件在嵌入式車載信息平臺中的 HYPERLINK 應用 VK3233主接口有SPI和UART兩種接口可以選擇。嵌入式平臺中的DSP/CPU通過SPI/UART接口與VK3233相連，VK3233 HYPERLINK 擴展出來的三個子 HYPERLINK 串口分別連接GPS模塊，倒車雷達模塊和GSM/ CDMA模塊。MODEM控制線連接GSM/CDMA MOMEM。整個嵌入式系統(tǒng)共用一個顯示設備，有效的節(jié)省了車內(nèi)有限的空間

24、。 4.4 ?VK3266 HYPERLINK 系列8位并行總線接口產(chǎn)品在 HYPERLINK 串口服務器中的 HYPERLINK 應用： 在工業(yè)控制等領域，眾多設備的對外通訊接口仍然是低速 HYPERLINK 串口。 HYPERLINK 串口服務器將多個 HYPERLINK 串口設備的數(shù)據(jù)存儲、轉換以后通過IP網(wǎng)進行傳輸。 圖5顯示了一個8 HYPERLINK 串口服務器（4個RS-232 HYPERLINK 串口、4個RS485 HYPERLINK 串口）的電路 HYPERLINK 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VK3266實現(xiàn)了8個 HYPERLINK 串口的

25、 HYPERLINK 擴展，通過地址譯碼器控制2片VK3266的CS實現(xiàn)片選控制。在上圖中，VK3266 A連接4個RS-232收發(fā)器， HYPERLINK 擴展出了4個帶硬件流量控制信號的RS-232 HYPERLINK 串口；VK3266 B則連接了4個RS-485收發(fā)器，將VK3266設置在RS-458自動收發(fā)控制模式下，通過RTS信號控制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信號能實現(xiàn)RS-485的自動收發(fā)控制。 5 VK32 HYPERLINK 系列UART器件的選型參考和設計建議 5.1 選型參考 VK32 HYPERLINK 系列UART包括5個產(chǎn)品 HYPERL

26、INK 系列，各個產(chǎn)品 HYPERLINK 系列的特點如下： VK321X HYPERLINK 系列為主接口為UART的產(chǎn)品，僅通過RX，TX和GND三根信號線與主機相連，通過 HYPERLINK 芯片內(nèi)部的處理協(xié)議采用時分復用的方式將一個 HYPERLINK 串口 HYPERLINK 擴展成為24個可以同時工作的全雙工 HYPERLINK 串口。在該模式下，MCU以查詢方式操作UART器件，設計中需要注意的是為保證在時分復用下各個子通道能夠同時全雙工通信，主接口的波特率需要設置為大于各個子 HYPERLINK 串口波特率之和。VK321X產(chǎn)品適用于對通信速度要求不高，需要設計可靠簡單的嵌入式

27、產(chǎn)品。 VK322X HYPERLINK 系列產(chǎn)品的主接口為SPI同步傳行總線，最高傳輸速度為4M bit/s。適合于帶SPI接口的MCU/DSP HYPERLINK 擴展異步 HYPERLINK 串口。大多數(shù)DSP都只有同步 HYPERLINK 串口，通過SPI接口實現(xiàn)異步 HYPERLINK 串口的橋接和 HYPERLINK 擴展，可以簡化并行總線 HYPERLINK 擴展 HYPERLINK 串口的硬件規(guī)模和模擬異步 HYPERLINK 串口的軟件開銷。 VK323X HYPERLINK 系列產(chǎn)品同時具備SPI和UART兩種可以選擇的主接口， HYPERLINK 擴展子 HYPERLIN

28、K 串口具備硬件流量控制和RS-485自動收發(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 HYPERLINK 應用。 VK325X產(chǎn)品為8位并行總線接口的UART器件，VK326X為同時具備3種可選主機接口的UART器件。這兩個器件 HYPERLINK 應用于需要減少備貨種類，需要進行大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)?HYPERLINK 應用。 5.2 設計建議： 異步IC卡的接口設計：遵從7816-3的異步IC卡為半雙工異步通信接口。在實際 HYPERLINK 應用中，可以將子 HYPERLINK 串口的RX，TX短接后直接與IC卡的I/O信號連接，為可靠起見，也可以通過連接7407來驅動IC卡的I/O信號。 MODEM接口的設計：目前的PSTN/GPRS/CDMA/GSM MODEM支持三線 HYPERLINK 串口(TX，RX，GND)通過AT命令操作。但實際 HYPERLINK 應用中，僅僅使用三線 HYPERLINK 串口容易丟包,造