SPI息線的UART擴(kuò)展方法

引 言

　　目前，UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter，通用異步收發(fā)器)接口的使用越來(lái)越廣泛，許多設(shè)備上都提供了UART接口。工業(yè)使用的微處理器一般都只包括2個(gè)UART口。在實(shí)際工業(yè)數(shù)據(jù)發(fā)送和采集應(yīng)用系統(tǒng)中，為了節(jié)省資源，微處理器直接通過(guò)UART口與設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。這樣勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致微處理器的UART口不夠，為了方便設(shè)備的接入，因此擴(kuò)展UART口是一種理想的解決方案。同時(shí)，考慮到微處理器的SPI／I2C總線上可以連接多個(gè)總線器件，為了充分利用資源，在實(shí)際應(yīng)用中可以通過(guò)SPI／I2C實(shí)施對(duì)UART接口的擴(kuò)展。本文提出了一種SPI擴(kuò)展UART的方法，主要采用SCl6IS752芯片進(jìn)行UART接口擴(kuò)展。SCl6IS752提供了標(biāo)準(zhǔn)SPI總線接口，只需要微處理器能提供標(biāo)準(zhǔn)的SPI或模擬SPI總線接口。整個(gè)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)捷、經(jīng)濟(jì)，具有通用性。

　　本文最后介紹了擴(kuò)展接口在無(wú)線數(shù)據(jù)采集集中器中的應(yīng)用，可方便地使用擴(kuò)展出的UART口連接相應(yīng)的無(wú)線通信模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和通信。

1 SPI總線

　　串行外圍設(shè)備接口(Serial Peripheral Interface，SPI)是Motorola公司推出的一種同步串行接口，其硬件功能強(qiáng)大，因此與SPI有關(guān)的軟件比較簡(jiǎn)單。一般情況下，實(shí)現(xiàn)SPI通信需要3～4根線：同步時(shí)鐘(SCK)線，用于實(shí)現(xiàn)主器件和從器件在MISO和MOSI線上串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?；主輸出／從輸?MOSI)線，用于主器件的輸出或從器件的輸入；主輸入／從輸出(MISO)線，用于主器件的輸入或從器件的輸出；片選控制(CS)線，用于從設(shè)備的選擇。SPI的工作模式有4種，本文采用了其中的一種主模式。

2 SCl6IS752擴(kuò)展芯片

　　SCl6IS752是NXP公司推出的一款通過(guò)SPI／I2C總線擴(kuò)展為UART接口的芯片。擴(kuò)展出雙通道高性能的UART，并且能到達(dá)5 Mbps的數(shù)據(jù)率；提供8個(gè)額外的可編程的I／O腳；還可以提供數(shù)據(jù)速率高達(dá)115．2 kbps的IrDA。另外，SCl6IS752還具有其他高級(jí)的特性，例如自動(dòng)硬件和軟件流控制、自動(dòng)的RS485支持和軟件復(fù)位。

　　作為UART擴(kuò)展接口芯片，SCl6IS752的引腳定義并不復(fù)雜，如圖1所示。XTAL1、XTFAL2引腳用來(lái)連接晶振電路，CS/A0用作SPI片選或者I2C總線器件地址選擇A0；I2C／SPI為I2C總線或SPI總線接口選擇；IRQ中斷引腳。其他引腳就主要包括擴(kuò)展后的2個(gè)UART及I／O。

　　帶有SPI接口的微處理器與SCl6IS752的連接十分方便；如果不帶SPI接口，則可以通過(guò)I／O口來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬SPI口的功能。

3 擴(kuò)展UART的設(shè)計(jì)過(guò)程及原理

3．1 SPI-UART的工作過(guò)程

　　SPI接口協(xié)議要求接口設(shè)備按主從方式進(jìn)行配置，且同一時(shí)間內(nèi)總線上只能有一個(gè)主器件。主輸出／從輸入(MOSI)信號(hào)是主器件的輸出和從器件的輸入，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)最高位在先；主輸入／從輸出(MISO)信號(hào)是從器件的輸出和主器件的輸入，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)也是最高位在先。串行時(shí)鐘(SCLK)信號(hào)是用于同步主器件和從器件之間在MOSI和MISO線上的串行數(shù)據(jù)傳輸。在整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，片選信號(hào)(CS)應(yīng)該處于低電平狀態(tài)。

　　在擴(kuò)展方案中，微處理器作為主器件，SCl6IS752作為從器件。因此，在設(shè)置SPI控制器時(shí)，應(yīng)該設(shè)置SPI為從機(jī)。具體工作時(shí)序如圖2和圖3所示。

3．2 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)的依據(jù)：一是硬件系統(tǒng)連接關(guān)系；二是SPI的工作時(shí)序；三是SCl6IS752的工作方式。程序主要包括對(duì)SPI接口和SCl6IS752的初始化、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

　　SPI接口的初始化。如果處理器提供標(biāo)準(zhǔn)的SPI口，那么只需要選擇SPI引腳功能，然后設(shè)置輸入／輸出；如果處理器不帶標(biāo)準(zhǔn)的SPI口，可以通過(guò)普通的I／0口來(lái)模擬SPI接口，完成引腳的設(shè)置后，還需要對(duì)SPI的模式、時(shí)鐘頻率進(jìn)行設(shè)置。

　　SCl6IS752的初始化。通過(guò)SCl6IS752轉(zhuǎn)換為串口輸出，所以必須考慮到串口的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位等的設(shè)置。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用接收中斷，這些也是在初始化SCl6IS752時(shí)要考慮的。

　　波特率的計(jì)算公式如下：

　　在下面的程序中，給出了對(duì)SC16IS752擴(kuò)展出的A通道的初始化。

　　

　　數(shù)據(jù)的發(fā)送。SCl6IS752發(fā)送器部分由一個(gè)發(fā)送保存寄存器(THR)和發(fā)送移位寄存器(TSR)組成。THR實(shí)際是一個(gè)64字節(jié)FIFO。THR接收數(shù)據(jù)并將其移入TSR，然后在TSR中將其轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)并在TX端移出。處理器將數(shù)據(jù)通過(guò)SPI總線送入SCl6IS752的發(fā)送寄存器中，等待數(shù)據(jù)被取走。

　　數(shù)據(jù)的接收。SCl6IS752接收器由一個(gè)接收保存寄存器(RHR)和接收移位寄存器(RSR)組成。RHR實(shí)際上是一個(gè)64字節(jié)FIFO。RSR接收RXD端的串行數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到RHR。

   一般的情況下，為了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方便，可以選擇SCl6IS752的數(shù)據(jù)發(fā)送所采用的查詢方式；而接收數(shù)據(jù)是通過(guò)芯片的IRQ引腳觸發(fā)處理器的外部中斷，產(chǎn)生中斷信號(hào)，通知處理器接收和處理數(shù)據(jù)。其工作程序流程如圖4所示。

4 擴(kuò)展UART接口實(shí)例

　　采用SPI擴(kuò)展出的UART可滿足標(biāo)準(zhǔn)串行端口UART的要求，而且操作簡(jiǎn)單。設(shè)置串口的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收都可由用戶自行定義。筆者在無(wú)線數(shù)據(jù)采集集中器系統(tǒng)中，對(duì)擴(kuò)展UART的可行性和實(shí)用性進(jìn)行了論證。下面以無(wú)線數(shù)據(jù)采集集中器為例，說(shuō)明SCl6IS752的實(shí)際應(yīng)用。

4．1 可行性

　　在設(shè)計(jì)無(wú)線數(shù)據(jù)采集集中器過(guò)程中，選用了NXP公司的LPC2148作為集中器的處理器。LPC2148自帶2個(gè)UART口，而無(wú)線數(shù)據(jù)采集集中器需要4個(gè)UART，分別為RS232數(shù)據(jù)傳輸、紅外數(shù)據(jù)傳輸、接收數(shù)據(jù)UART和無(wú)線通信UART口。很明顯，需要擴(kuò)展UART口才能滿足要求。微處理器LPC2148有標(biāo)準(zhǔn)的SPI／I2C總線，因此筆者就選擇了SCl6IS752作為UART的擴(kuò)展芯片。

　　SCl6IS752具有16C450可兼容的寄存器集，擴(kuò)展出的UART引腳分別為TX、RX、RTS和CTS。這些都和標(biāo)準(zhǔn)的UART一樣，只是初始化的設(shè)置不同。初始化完成后，具體操作函數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的UART接口操作類似。只是芯片在讀取和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，與微處理器的數(shù)據(jù)交互是通過(guò)SPI總線進(jìn)行的。

4．2 應(yīng)用設(shè)計(jì)

　　集中器系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)硬件連接圖如圖5所示。SCl6IS752的IRQ直接與LPC2148的外部中斷EINTl連接。擴(kuò)展的UART接收到數(shù)據(jù)后，就會(huì)通過(guò)IRQ產(chǎn)生一個(gè)低電平觸發(fā)外部中斷，而在處理器的外部中斷服務(wù)程序中處理接收到的數(shù)據(jù)。在實(shí)際集中器測(cè)試中，擴(kuò)展出的UART口與標(biāo)準(zhǔn)的UART具有同樣功效。芯片的晶振頻率采用1．843 2 MHz，與晶振連接的是22 pF的電容，芯片需要采用3．3 V電源供電。與CPU連接的引腳共有6個(gè)，功能如表1所列。其中，SPI配置必需的引腳是MO-SI、MISO、SCK。因?yàn)檫x用芯片的功能是SPI轉(zhuǎn)UART，所以直接把12C／SPI引腳接地。

結(jié) 語(yǔ)

　　UART廣泛用于Modem、手持工業(yè)設(shè)備、條形閱讀器、測(cè)試設(shè)備、消費(fèi)產(chǎn)品與PC機(jī)之間，以及小型網(wǎng)絡(luò)之間的通信。本文結(jié)合微處理器的SPI或I2C接口功能，設(shè)計(jì)了一種擴(kuò)展UART接口；微處理器沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的SPI或I2C接口時(shí)，也可通過(guò)普通的I／O來(lái)模擬SPI／I2C總線。擴(kuò)展出的UART應(yīng)用于實(shí)際無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，完全能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)UART接口的要求。處理器的UART口不夠用時(shí)，也可通過(guò)此方案達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。