NS16C2552/NS16C2752雙串口UART芯片深度剖析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，UART（通用異步收發(fā)傳輸器）芯片是實(shí)現(xiàn)串行通信的關(guān)鍵組件。TI公司的NS16C2552和NS16C2752雙串口UART芯片，以其高性能和豐富的功能，在眾多應(yīng)用場景中得到廣泛應(yīng)用。本文將對(duì)這兩款芯片進(jìn)行詳細(xì)解析，幫助電子工程師更好地理解和使用它們。

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芯片概述

NS16C2552和NS16C2752是具有16字節(jié)/64字節(jié)FIFO的雙串口UART芯片，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)5 Mbit/s。它們與PC16552D在引腳和功能上兼容，同時(shí)增加了許多新特性，如低電壓支持、5V容忍輸入、增強(qiáng)型寄存器集和更高的數(shù)據(jù)速率等。芯片采用44 - PLCC或48 - TQFP封裝，工作電壓范圍為2.97 V至5.50 V，工業(yè)溫度范圍為 - 40°C至85°C。

特性亮點(diǎn)

• 多功能輸出：通過較少的I/O引腳實(shí)現(xiàn)更多的封裝功能，提高了芯片的集成度和靈活性。
• 雙獨(dú)立UART：兩個(gè)串行通道完全獨(dú)立，除了共享CPU接口和晶體輸入外，可獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，適用于多通道通信需求。
• 高數(shù)據(jù)傳輸速率：最高可達(dá)5 Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足高速數(shù)據(jù)通信的要求。
• 低電壓支持：工作電壓范圍為2.97 V至5.50 V，降低了功耗，適用于電池供電的設(shè)備。
• 5V容忍I/O：在整個(gè)電源電壓范圍內(nèi)，I/O引腳能夠容忍5V電壓，增強(qiáng)了芯片的兼容性。

引腳說明

芯片的引腳分為總線接口、串行I/O接口、時(shí)鐘和復(fù)位、電源和接地引腳等幾類。每個(gè)引腳的功能和作用都有明確的定義，以下是一些關(guān)鍵引腳的說明：

并行總線接口

• D7 - D0：數(shù)據(jù)總線，提供UART與CPU之間的雙向通信，用于傳輸數(shù)據(jù)、控制字和狀態(tài)信息。
• A2 - A0：寄存器地址，用于選擇DUART寄存器，供CPU進(jìn)行讀寫操作。
• CS：芯片選擇，低電平有效，使能DUART與CPU之間的通信。
• CHSL：通道選擇，用于選擇要訪問的串行通道。
• RD：IO讀，在下降沿將寄存器數(shù)據(jù)放置在D7 - D0上，CPU可在上升沿讀取狀態(tài)信息或數(shù)據(jù)。
• WR：IO寫，在下降沿將數(shù)據(jù)放置在D7 - D0上，上升沿將數(shù)據(jù)鎖存到所選的DUART寄存器中。

串行I/O接口

• SIN：串行輸入，接收外部設(shè)備發(fā)送的串行數(shù)據(jù)。
• SOUT：串行輸出，向外部設(shè)備發(fā)送串行數(shù)據(jù)。
• RI：振鈴指示，用于檢測電話振鈴信號(hào)。
• MF：多功能引腳，可通過編程選擇OUT2、BAUDOUT或RXRDY等信號(hào)功能。

時(shí)鐘和復(fù)位

• XIN：外部晶體輸入，與XOUT配合形成反饋電路，為波特率發(fā)生器的振蕩器提供時(shí)鐘信號(hào)。
• XOUT：外部晶體輸出，與XIN配合形成反饋電路。
• MR：主復(fù)位，高電平有效，清除所有寄存器（除接收器緩沖區(qū)、發(fā)送器保持寄存器和除數(shù)鎖存器外）。

電源和接地

• VCC：電源輸入，工作電壓范圍為2.97 V至5.50 V。
• GND：接地引腳，提供參考地。

寄存器設(shè)置

芯片包含兩個(gè)相同的寄存器集，每個(gè)通道一個(gè)。寄存器的地址和控制引腳與寄存器選擇的關(guān)系在表1中進(jìn)行了總結(jié)。以下是一些重要寄存器的功能說明：

接收緩沖區(qū)寄存器（RBR）

用于存儲(chǔ)接收到的數(shù)據(jù)，可通過該寄存器訪問接收器FIFO中的數(shù)據(jù)。

發(fā)送保持寄存器（THR）

用于存儲(chǔ)要發(fā)送的數(shù)據(jù)，是發(fā)送FIFO的輸入寄存器。

中斷使能寄存器（IER）

用于使能各種中斷源，每個(gè)中斷源可獨(dú)立控制，通過設(shè)置相應(yīng)的位來啟用或禁用中斷。

中斷識(shí)別寄存器（IIR）

用于記錄中斷的優(yōu)先級(jí)和來源，CPU讀取該寄存器時(shí)，可獲取最高優(yōu)先級(jí)的待處理中斷信息。

FIFO控制寄存器（FCR）

用于啟用FIFOs、清除FIFOs、設(shè)置FIFO觸發(fā)級(jí)別和選擇DMA模式。

線路控制寄存器（LCR）

用于指定異步數(shù)據(jù)通信的格式，如數(shù)據(jù)位長度、停止位長度、奇偶校驗(yàn)等，并設(shè)置除數(shù)鎖存器訪問位。

調(diào)制解調(diào)器控制寄存器（MCR）

用于控制與調(diào)制解調(diào)器或外設(shè)的接口，包括時(shí)鐘分頻選擇、紅外編碼器/解碼器選擇、Xon - Any功能啟用等。

線路狀態(tài)寄存器（LSR）

提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)信息，如接收緩沖區(qū)是否有數(shù)據(jù)、發(fā)送器是否空閑、是否發(fā)生錯(cuò)誤等。

調(diào)制解調(diào)器狀態(tài)寄存器（MSR）

提供調(diào)制解調(diào)器控制線路的當(dāng)前狀態(tài)信息，以及狀態(tài)變化信息。

可編程波特率發(fā)生器

每個(gè)通道都有一個(gè)獨(dú)立的可編程波特率發(fā)生器，可將輸入時(shí)鐘除以1至(2^16 - 1)的任意除數(shù)，生成16X時(shí)鐘，驅(qū)動(dòng)發(fā)送器和接收器部分。

操作與配置

時(shí)鐘輸入

芯片具有片上振蕩器，可接受標(biāo)準(zhǔn)晶體的并聯(lián)諧振和基頻信號(hào)。生成的時(shí)鐘提供給兩個(gè)UART通道，頻率范圍為DC至24 MHz。每個(gè)通道都有獨(dú)立的可編程時(shí)鐘分頻器，因此每個(gè)通道可以有不同的波特率。

復(fù)位

芯片具有片上上電復(fù)位功能，可適應(yīng)緩慢上升的電源電壓。上電復(fù)位電路會(huì)將設(shè)備保持在復(fù)位狀態(tài)2^23個(gè)XIN時(shí)鐘周期。此外，還可以施加外部高電平復(fù)位信號(hào)。

接收器操作

每個(gè)串行通道包含一個(gè)8位接收移位寄存器（RSR）和一個(gè)16（或64）字節(jié)的接收FIFO。RSR使用16X時(shí)鐘作為定時(shí)源，在接收到起始位后，開始對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣和驗(yàn)證，將數(shù)據(jù)幀加載到RBR和接收FIFO中，并更新錯(cuò)誤標(biāo)簽。

發(fā)送器操作

發(fā)送器由一個(gè)8位發(fā)送移位寄存器（TSR）和一個(gè)16（或64）字節(jié)的發(fā)送FIFO組成。TSR以16X內(nèi)部時(shí)鐘將數(shù)據(jù)移出，發(fā)送過程包括起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位（如果啟用）和停止位。

硬件流控制

芯片支持RTS和CTS硬件流控制，可通過設(shè)置相應(yīng)的寄存器位來啟用。RTS用于請(qǐng)求遠(yuǎn)程設(shè)備暫?；蚧謴?fù)數(shù)據(jù)傳輸，CTS用于監(jiān)控遠(yuǎn)程接收器FIFO是否溢出，以暫?；蚧謴?fù)本地發(fā)送器的工作。

軟件XON/XOFF流控制

軟件流控制使用編程的Xon或Xoff字符來實(shí)現(xiàn)發(fā)送/接收流控制。當(dāng)接收到的字符與編程的值匹配時(shí)，發(fā)送器會(huì)暫停操作，直到接收到Xon字符后恢復(fù)傳輸。

特殊字符檢測

當(dāng)EFR[5] = 1時(shí)，UART可以檢測8位特殊字符。檢測到特殊字符后，會(huì)將其加載到FIFO中，并設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志位。

睡眠模式

為了降低功耗，芯片具有每個(gè)通道獨(dú)立的睡眠模式。當(dāng)滿足一定條件時(shí)，通道可以進(jìn)入睡眠模式，在檢測到特定事件時(shí)喚醒。

內(nèi)部回環(huán)模式

芯片支持內(nèi)部回環(huán)模式，可用于設(shè)計(jì)驗(yàn)證和診斷故障。在回環(huán)模式下，發(fā)送的數(shù)據(jù)會(huì)從發(fā)送移位寄存器輸出循環(huán)到接收移位寄存器輸入，系統(tǒng)可以接收自己發(fā)送的數(shù)據(jù)。

DMA操作

使用RXRDY和TXRDY信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)更高效的直接內(nèi)存訪問（DMA）傳輸。DMA傳輸在CPU周期之間進(jìn)行，節(jié)省了CPU處理帶寬。在模式0下，每次RXRDY和TXRDY的斷言會(huì)導(dǎo)致單次傳輸；在模式1下，可以進(jìn)行塊傳輸，進(jìn)一步提高傳輸效率。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

調(diào)試提示

在使用芯片時(shí)，如果設(shè)備出現(xiàn)異常，可按照以下步驟進(jìn)行調(diào)試：

1. 檢查電源電壓是否在工作范圍內(nèi)。
2. 檢查設(shè)備引腳連接是否與數(shù)據(jù)手冊(cè)一致。
3. 檢查未焊接元件的印刷電路板（PCB）是否存在短路。
4. 檢查設(shè)備時(shí)鐘輸入，使用示波器檢查晶體振蕩頻率。
5. 確保復(fù)位信號(hào)為高電平有效，且正常情況下為低電平。
6. 使用內(nèi)部回環(huán)模式測試CPU主機(jī)接口，檢查接口時(shí)序。
7. 如果回環(huán)模式正常，檢查串行數(shù)據(jù)輸出和輸入，可通過外部循環(huán)測試數(shù)據(jù)路徑的完整性。

時(shí)鐘頻率精度

在UART傳輸中，發(fā)送器時(shí)鐘和接收器時(shí)鐘運(yùn)行在不同的時(shí)鐘域，本地振蕩器頻率和時(shí)鐘分頻器可能會(huì)引入波特率誤差。UART接收器的內(nèi)部采樣時(shí)鐘是數(shù)據(jù)速率的16倍，通過合理設(shè)置時(shí)鐘和分頻器，可以確保數(shù)據(jù)的正確采樣和傳輸。

晶體要求

使用的晶體應(yīng)滿足以下要求：

• 采用AT切割，并聯(lián)諧振。
• 基頻振蕩模式，頻率范圍為1至24 MHz。
• 頻率容差和漂移應(yīng)滿足UART應(yīng)用要求。
• 負(fù)載電容應(yīng)與振蕩器電路的負(fù)載電容匹配，外部電容C1和C2用于調(diào)整負(fù)載電容。

配置示例

設(shè)置波特率

LCR 0x03.7 = 1
DLL 0x00.7:0 = DIV_L
DLM 0x01.7:0 = DIV_M
LCR 0x03.7 = 0

配置預(yù)分頻器輸出

Save LCR 0x03.7:0 in temp
LCR 0x03.7:0 = 0xBF
EFR 0x02.4 = 1
LCR 0x03.7:0 = 0
MCR 0x04.7 = 1
LCR 0x03.7:0 = 0xBF
EFR 0x02.4 = 0 (optional)
LCR 0x03.7:0 = temp

設(shè)置Xon和Xoff流控制

Save LCR 0x03.7:0 in temp
LCR 0x03.7:0 = 0xBF
Xon1 0x04.7:0 = VAL1
Xoff1 0x06.7:0 = VAL2
LCR 0x03.7:0 = temp

配置Tx/Rx FIFO閾值

Save LCR 0x03.7:0 in temp
LCR 0x03.7:0 = 0xBF
EFR 0x02.4 = 1
LCR 0x03.7:0 = 0
FCR 0x02.7:0 = VAL
LCR 0x03.7:0 = 0xBF
EFR 0x02.4 = 0 (optional)
LCR 0x03.7:0 = temp

Tx和Rx硬件流控制

Save LCR 0x03.7:0 in temp
LCR 0x03.7:0 = 0xBF
EFR 0x02.7:6 = 2'b11
EFR 0x02.4 = 1
LCR 0x03.7:0 = 0
IER 0x01.7:6 = 2'b11
MCR 0x04.1 = 1
LCR 0x03.7:0 = temp

Tx和Rx DMA控制

Save LCR 0x03.7:0 in temp
LCR 0x03.7:0 = 0
FCR 0x02.0 = 1
FCR 0x02.3 = 1
LCR 0x03.7:0 = temp

與PC16552D的差異

總結(jié)

NS16C2552和NS16C2752雙串口UART芯片以其高性能、豐富的功能和良好的兼容性，為電子工程師提供了一個(gè)優(yōu)秀的串行通信解決方案。通過深入了解芯片的特性、引腳功能、寄存器設(shè)置和操作配置，工程師可以充分發(fā)揮芯片的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)出更加穩(wěn)定、高效的通信系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要注意調(diào)試技巧、時(shí)鐘頻率精度和晶體要求等方面的問題，以確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。希望本文能夠?qū)﹄娮庸こ處熢谑褂肗S16C2552和NS16C2752芯片時(shí)有所幫助。

各位工程師朋友，在使用這兩款芯片的過程中，你們遇到過哪些有趣的問題或者有什么獨(dú)特的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)?？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流！