SPI息线的UART扩展方法（转）

引 言
       目前， UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter，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SCl6IS752芯片进行 UART 接口扩展。SCl6IS752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。
       本文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。

1 SPI总线
    串行外围设备接口(Serial Peripheral Interface，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。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。

2 SCl6IS752扩展芯片
    SCl6IS752是NXP公司推出的一款通过SPI／I2C总线扩展为UART接口的芯片。扩展出双通道高性能的UART，并且能到达5 Mbps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115．2 kbps的IrDA。另外，SCl6IS752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，SCl6IS752的引脚定义并不复杂，如图1所示。XTAL1、XTFAL2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SCl6IS752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。

3 扩展UART的设计过程及原理
3．1 SPI-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，SCl6IS752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SCl6IS752的工作方式。程序主要包括对SPI接口和SCl6IS752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／0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。
    SCl6IS752的初始化。通过SCl6IS752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SCl6IS752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。SCl6IS752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SCl6IS752的发送寄存器中，等待数据被取走。
    数据的接收。SCl6IS752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SCl6IS752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。

4 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SCl6IS752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。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SCl6IS752作为UART的扩展芯片。
    SCl6IS752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。SCl6IS752的IRQ直接与LPC2148的外部中断EINTl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1．843 2 MHz，与晶振连接的是22 pF的电容，芯片需要采用3．3 V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MO-SI、MISO、SCK。因为选用芯片的功能是SPI转UART，所以直接把12C／SPI引脚接地。

结 语
    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。