NS16C2552/NS16C2752雙UART芯片：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

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)鍵組件之一。今天，我們將深入探討TI公司的NS16C2552和NS16C2752雙UART芯片，它們?cè)谛阅?、功能和?yīng)用方面都有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

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芯片概述

NS16C2552和NS16C2752是雙通道通用異步接收器/發(fā)射器（DUART），與PC16552D在引腳和功能上兼容，但在此基礎(chǔ)上增加了許多新特性，如低電壓支持、5V容忍輸入、增強(qiáng)的寄存器集和更高的數(shù)據(jù)速率等。這兩款芯片的兩個(gè)串行通道相互獨(dú)立，僅共享一個(gè)CPU接口和晶體輸入。在電源開(kāi)啟時(shí)，兩個(gè)通道的功能與PC16552D相同。

特性亮點(diǎn)

• 多功能輸出：允許使用更少的I/O引腳實(shí)現(xiàn)更多的封裝功能。
• 高數(shù)據(jù)傳輸速率：最高可達(dá)5 Mbit/s，滿足高速通信需求。
• 寬電壓范圍：工作電壓為2.97 V至5.50 V，增強(qiáng)了芯片的適應(yīng)性。
• 大容量FIFO：NS16C2552的收發(fā)FIFO為16字節(jié)，NS16C2752則為64字節(jié)，有效緩沖數(shù)據(jù)，減少CPU處理負(fù)擔(dān)。
• 多種流控制方式：支持自動(dòng)硬件流控制（Auto - CTS、Auto - RTS）和自動(dòng)軟件流控制（Xon、Xoff、Xon - any），確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/li>
• 可編程特性：字符長(zhǎng)度、奇偶校驗(yàn)、停止位等均可編程，適應(yīng)不同的通信協(xié)議。
• 中斷控制：獨(dú)立控制和優(yōu)先化的發(fā)送和接收中斷，提高CPU處理效率。
• 紅外模式：集成IrDA v1.0兼容的紅外編碼器和解碼器，支持紅外通信。

引腳與接口

芯片的引腳分為并行總線接口、串行I/O接口、時(shí)鐘和復(fù)位、電源和地等幾類。下面我們重點(diǎn)介紹幾個(gè)關(guān)鍵接口：

并行總線接口

• 數(shù)據(jù)總線（D7 - D0）：8位三態(tài)輸入/輸出線，實(shí)現(xiàn)UART與CPU之間的雙向通信，傳輸數(shù)據(jù)、控制字和狀態(tài)信息。
• 寄存器地址（A2 - A0）：3個(gè)輸入引腳，用于選擇DUART寄存器，方便CPU進(jìn)行讀寫操作。
• 芯片選擇（CS）：低電平有效，選中芯片后，DUART與CPU之間的通信才能正常進(jìn)行。
• 通道選擇（CHSL）：用于選擇串行通道，1表示通道1，0表示通道2。
• 讀寫控制（RD、WR）：分別控制寄存器數(shù)據(jù)的讀取和寫入操作。

串行I/O接口

• SIN、SOUT：串行輸入和輸出引腳，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行傳輸。
• RI、CTS、DSR、DCD：MODEM控制輸入引腳，用于與MODEM或外設(shè)進(jìn)行通信。
• DTR、RTS、OUT1、OUT2：MODEM控制輸出引腳，可根據(jù)需要進(jìn)行配置。

時(shí)鐘和復(fù)位

• XIN、XOUT：外部晶體輸入和輸出引腳，與晶體組成反饋電路，為波特率發(fā)生器提供時(shí)鐘。
• MR：主復(fù)位引腳，高電平有效，可清除大部分寄存器。

寄存器設(shè)置

芯片包含兩個(gè)相同的寄存器集，分別用于兩個(gè)通道。通過(guò)對(duì)寄存器的配置，可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。以下是一些重要寄存器的介紹：

接收緩沖寄存器（RBR）

用于存儲(chǔ)接收到的數(shù)據(jù)，可通過(guò)讀取該寄存器獲取接收數(shù)據(jù)。

發(fā)送保持寄存器（THR）

CPU將發(fā)送數(shù)據(jù)寫入該寄存器，然后由UART進(jìn)行發(fā)送。

中斷使能寄存器（IER）

用于使能不同類型的中斷，如接收數(shù)據(jù)可用中斷、發(fā)送保持寄存器空中斷等。

中斷識(shí)別寄存器（IIR）

記錄中斷的優(yōu)先級(jí)和狀態(tài)，幫助CPU快速處理中斷。

FIFO控制寄存器（FCR）

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

線路控制寄存器（LCR）

指定異步數(shù)據(jù)通信的格式，如字符長(zhǎng)度、奇偶校驗(yàn)、停止位等，還可設(shè)置除數(shù)鎖存訪問(wèn)位（DLAB）。

波特率發(fā)生器

每個(gè)通道都有一個(gè)可編程的波特率發(fā)生器，可將輸入時(shí)鐘除以1至$2^{16}-1$的任意除數(shù)，產(chǎn)生16X時(shí)鐘，驅(qū)動(dòng)發(fā)送和接收部分。通過(guò)設(shè)置除數(shù)鎖存器（DLL和DLM），可以實(shí)現(xiàn)不同的波特率。

操作與配置

時(shí)鐘輸入

芯片內(nèi)置振蕩器，可接受標(biāo)準(zhǔn)晶體輸入，產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率范圍為DC至24 MHz。每個(gè)通道都有獨(dú)立的可編程時(shí)鐘分頻器，因此可以設(shè)置不同的波特率。在使用外部晶體時(shí)，需要注意晶體的參數(shù)和負(fù)載電容的選擇。

復(fù)位

芯片具有上電復(fù)位功能，可適應(yīng)緩慢上升的電源。復(fù)位后，芯片的輸出狀態(tài)會(huì)恢復(fù)到默認(rèn)值。

接收操作

接收部分包括一個(gè)8位接收移位寄存器（RSR）和一個(gè)16或64字節(jié)的FIFO。在FIFO模式下，可以根據(jù)FIFO指針的觸發(fā)級(jí)別產(chǎn)生中斷或請(qǐng)求DMA傳輸。同時(shí)，還支持硬件和軟件流控制，防止接收數(shù)據(jù)溢出。

發(fā)送操作

發(fā)送部分包括一個(gè)8位發(fā)送移位寄存器（TSR）和一個(gè)16或64字節(jié)的FIFO。在FIFO模式下，當(dāng)Tx FIFO的空空間超過(guò)閾值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生中斷或請(qǐng)求DMA傳輸。同樣，也支持硬件和軟件流控制，確保數(shù)據(jù)的可靠發(fā)送。

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(wèn)（DMA）傳輸，減少CPU的處理負(fù)擔(dān)。在模式0下，每次RXRDY和TXRDY的有效信號(hào)會(huì)觸發(fā)一次單字節(jié)傳輸；在模式1下，可以進(jìn)行塊傳輸。

紅外模式

通過(guò)設(shè)置MCR[6]為1，可以啟用紅外模式。在該模式下，SOUT在空閑狀態(tài)下為邏輯0，發(fā)送時(shí)會(huì)發(fā)送3/16位寬的脈沖，實(shí)現(xiàn)紅外通信。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

調(diào)試提示

• 檢查電源電壓是否在正常范圍內(nèi)。
• 核對(duì)引腳連接是否正確。
• 檢查PCB是否存在短路問(wèn)題。
• 驗(yàn)證時(shí)鐘輸入的頻率和電壓擺動(dòng)。
• 確保復(fù)位信號(hào)正常。
• 使用內(nèi)部回環(huán)模式測(cè)試CPU接口。
• 檢查串行數(shù)據(jù)的輸入和輸出。

時(shí)鐘頻率精度

由于UART的發(fā)送和接收時(shí)鐘在不同的時(shí)鐘域，時(shí)鐘頻率的偏差可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。因此，需要控制時(shí)鐘頻率的誤差在一定范圍內(nèi)，以確保數(shù)據(jù)的正確恢復(fù)。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度越短，對(duì)時(shí)鐘誤差的容忍度越高。

晶體要求

• 晶體類型為并聯(lián)諧振、基頻。
• 頻率范圍為24 MHz。
• 負(fù)載電容為10 - 22 pF。
• 等效串聯(lián)電阻（ESR）為20 - 120 Ω。
• 頻率穩(wěn)定性在0至70°C范圍內(nèi)為100 ppm。

配置示例

以下是一些常見(jiàn)的配置示例，幫助你快速上手：

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

- 保存LCR 0x03.7:0到臨時(shí)變量
- LCR 0x03.7:0 = 0xBF
- EFR 0x02.4 = 1
- LCR 0x03.7:0 = 0
- MCR 0x04.7 = 1（或0，根據(jù)需要選擇）
- LCR 0x03.7:0 = 0xBF
- EFR 0x02.4 = 0（可選）
- LCR 0x03.7:0 = 臨時(shí)變量

設(shè)置Xon和Xoff流控制

- 保存LCR 0x03.7:0到臨時(shí)變量
- LCR 0x03.7:0 = 0xBF
- Xon1 0x04.7:0 = VAL1
- Xoff1 0x06.7:0 = VAL2
- LCR 0x03.7:0 = 臨時(shí)變量

與其他UART的比較

與PC16552D相比，NS16C2552和NS16C2752在FIFO大小、電源電壓、最高波特率、時(shí)鐘輸入頻率、工作溫度等方面都有明顯的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，還增加了許多增強(qiáng)功能，如睡眠模式、軟件和硬件自動(dòng)流控制、紅外模式等。

總結(jié)

NS16C2552和NS16C2752是兩款功能強(qiáng)大的雙UART芯片，具有高數(shù)據(jù)速率、大容量FIFO、多種流控制方式等特點(diǎn)，適用于各種串行通信應(yīng)用。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要注意時(shí)鐘頻率精度、晶體選擇和引腳連接等問(wèn)題，通過(guò)合理配置寄存器，可以實(shí)現(xiàn)不同的功能需求。希望本文能為電子工程師們?cè)谑褂眠@兩款芯片時(shí)提供一些幫助。你在使用UART芯片時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。