CN1292362C - 串口扩展芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种串口扩展芯片，它由振荡电路模块，定时器模块，地址处理模块，主控模块，命令字寄存器，数据接收模块，数据发送模块，数据缓冲器八个模块组成。本发明具有以下优点：用硬件方式实现串口扩展，设计的最高波特率完全能满足一般系统需求，同时占用系统资源少，使用方法简单，通讯格式可设置的串口扩展芯片，它与标准串口通讯格式兼容，满足通用性要求，是用户进行串口扩展时性价比高的方案。

Description

串口扩展芯片
所属领域
本发明涉及一种扩展芯片，特别是一种串口扩展芯片。
背景技术
目前许多电子系统都需要进行串口通讯，而可供电子工程师选择的串口扩展芯片又太少或性价比低。
电子系统之间进行信息交换可采用的通讯方式有两种——并行方式和串行方式。并行方式每次可以传送一个字节的数据，因此传输线至少需要8条，再加上几条控制线，需要的传输电缆线较多。并行传输方式就是以增加成本来提高数据传送速度，一般应用在短距离传输中。在需要远距离传输的应用场合使用多条电缆必然导致成本过高，所以此时一般使用串行通讯方式。串行通讯是以一位数据线传送数据的位信号，每次只传送一个位的数据，所以与并行方式比较，传输速度要低一些，但串行传输方式中即使加上几条通讯联络控制线，也不需要太多传输电缆线，在远距离传输中使用非常经济。
正因为串行传输方式的经济性，在很多系统通讯中都采用了串行方式，但一般的小型系统，尤其是单片机控制的系统中，I/O口资源非常有限，可利用的串口资源非常少，在需要进行多个设备通讯的时候必须进行串口扩展，而通用性强、功能简单实用、使用简便的串口扩展芯片种类非常少。
目前比较通用的串口扩展方案有两种，一是使用专用串口扩展芯片，可供选择的串口扩展芯片只有TI等公司开发的16C550系列串口扩展芯片，该系列芯片实现的功能是通过并行口扩展串行口，功能比较强大、通讯速度高，但由于功能强大，所以控制复杂，同时价格较高，主要的应用场合是PC机串口扩展产品。在仅使用单片机控制且不需要太高波特率通讯的系统中，使用16C550系列芯片不仅成本高而且还造成了资源的浪费。
许多公司在设计仅需要进行简单的串口扩展时，由于缺乏合适的扩展芯片，常常采用软件实现的方案。软件模拟串口存在的缺点有：一是采样次数低，这样数据的正确性就难以保证；二是不能实现高波特率通讯，软件模拟串口不能实现高于4800bps的波特率。
发明内容
本发明的目的即在于克服现有技术的缺点，提供一种芯片用硬件方式实现串口扩展，设计的最高波特率完全能满足一般系统需求，同时占用系统资源少，使用方法简单，通讯格式可设置的串口扩展芯片，它与标准串口通讯格式兼容，满足通用性要求，是用户进行串口扩展时性价比高的方案。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种串口扩展芯片，它由振荡电路模块，定时器模块，地址处理模块，主控模块，命令字寄存器，数据接收模块，数据发送模块，数据缓冲器八个模块组成，振荡电路模块的输出端与定时器模块连接，主控模块分别与定时器模块、地址处理模块、命令字寄存器、数据接收模块、数据发送模块、数据缓冲器相连，数据接收模块、数据发送模块与外部通讯设备连接，地址处理模块连外部主机。
定时器模块包括分频系数产生器、多路选择器、母串口波特率分频器、子串口波特率分频器、母口发送波特率产生器、母口接收波特率产生器、多个子口发送波特率产生器、多个子口接收波特率产生器组成，分频系数产生器与多路选择器相连，多路选择器与母串口波特率分频器相连，母串口波特率分频器分别与母口发送波特率产生器、母口接收波特率产生器及子串口波特率分频器相连，子串口波特率分频器分别与多个子口发送波特率产生器、多个子口接收波特率产生器相连。
地址处理模块由多通道子口接收地址产生器、多通道子口发送地址产生器、单通道模式地址产生器组成，由一个控制信号选择；
多通道子口接收地址产生器由计数器、多路选择器、5个子串口接收有效标志寄存器组成，多路选择器分别与计数器和子串口接收有效标志寄存器连接；
多通道子口发送地址产生器由一个地址锁存器构成；
单通道模式地址产生器由一个缓冲电路组成；
命令字寄存器模块由一个临时寄存器和一个工作寄存器组成，它们直接连接。
数据接收模块由起始位检测器、数据采样器、数据判决器、高十位数据移位寄存器和低一位数据移位寄存器、多路选择器组成，数据采样器和数据判决器连接，数据判决器与高十位数据移位寄存器连接，高十位数据移位寄存器输出接低一位数据移位寄存器输入。
数据发送模块由十一位数据移位寄存器、一位数据移位寄存器、多路选择器、移位输出寄存器组成，它们串联在一起。
本发明是结合用户的一般需求，针对同类技术的缺点而进行正向设计开发的产品。该芯片设计了两种工作模式，可以满足不同的系统需求。单通道工作模式可以应用在通讯过程完全由主机控制的系统中，由主机选择与之通讯的从机，该模式下本芯片工作无需任何初始化设置，主机和被选从机以相同的波特率和数据格式进行通讯即可。主机通过该芯片的子串口选择地址线选择与主机通讯的从机。多通道工作模式主要应用在要求实时多机通讯的系统，通过本芯片的子串口可以主动响应从机发送的数据，并将此数据通过母串口返回给主机，同时利用地址线向主机发送接收到数据的子串口地址，使主机在接收到从机送来的数据后可以根据地址线判断数据是从哪一个从机送来的，从而作出相应的处理。为了保证所有的从机同时向主机连续发送数据时的实时性和不造成数据丢失，该工作模式下，与主机相连的母串口会以与从机相连的子串口工作波特率的6倍(GM8125)/4倍(GM8123)进行工作。为了满足不同的系统需求，在多通道工作模式下，用户可以通过对芯片写命令字的方式对芯片进行波特率和数据长度的设置，写命令字设置方式可以减少芯片的控制引脚，为系统节省I/O口资源。多种等级的工作波特率和10位/11位可选的通讯格式与标准串口通讯格式完全兼容。
本产品与同类产品相比较，具有的优点有：
1、控制简单。该芯片利用软件设置工作方式，最大限度地减少控制线，不需要占用太多主机的系统资源，同时又保证使用的简便性；
2、应用灵活。该芯片具备两种工作模式、多种工作波特率、10位或11位数据格式可选，用户可根据自己的系统需求灵活选择；
3、通用性强。该芯片设计时充分考虑各种用户的需求，保证了芯片的通用性，与标准串口通讯格式完全兼容，同时提供多种可选设置，适用于大多数串口通讯系统；
4、工作波特率高。该芯片子串口最高工作波特率可达38400bps，此波特率完全能满足一般的串口通讯的需求；
5、性能稳定。硬件实现串口比软件实现串口更能保证串行通讯数据的正确性和系统工作的稳定性；
6、波特率误差小；
7、具有宽的工作电压和工作温度范围，完全满足工业级标准。
本产品与同类产品相比的创新点在于：
1、设计了两种工作模式——单通道工作模式和多通道工作模式，各种应用环境都能满足；
2、单通道工作模式应用灵活。单通道模式的特点是芯片的输出子串口和输入子串口的选择线相互独立，允许每次选择的输入子串口和输出子串口可以不同组，即允许同一个时刻向一个子串口发送数据同时另一个子串口可以接收数据，这样给了用户通讯更灵活的选择；
3、独特的多通道工作模式保证了系统通讯的实时性。多通道模式的特点是，芯片子串口能主动响应从机发送的数据，并利用地址线返回接收到数据的子串口地址信号，同时母串口以子串口工作波特率的固定倍率工作。这种工作方式保证了在使用该芯片进行串口扩展的多机通讯系统中，从机不需要向主机发送发送请求就可以直接发送数据，这样就不需要占用主机的中断资源，同时在多个从机同时都有数据发送请求时，芯片能及时响应，也能保证数据不丢失，最大限度地保证了通讯的实时性；
4、工作波特率比同类产品高。该芯片子串口最高的波特率可以支持到38400bps，这个波特率已完全能满足一般的系统需求，与类似产品相比，波特率更高；
5、写命令字方式设置芯片的工作波特率和数据长度，既保证了芯片的使用简便性又为芯片工作提供了更多通讯格式。用户只需要在芯片进行数据通讯前向芯片发送一个字节的数据就能完成芯片工作波特率和字节长度的设置，这种设置方式既能使设置工作非常简单，又能为用户提供更多的通讯格式，保证了芯片的通用性又使控制简单化。
附图说明
图1为串口扩展芯片结构图；
图2为串口扩展芯片定时器的结构图；
图3为串口扩展芯片地址处理模块结构图；
图3a为多通道子口接收地址产生结构示意图；
图3b为多通道子口发送地址产生结构示意图；
图3c为单通道子口发送地址产生结构示意图；
图3d为单通道子口接收地址产生结构示意图；
图4为串口扩展芯片命令字寄存器结构图；
图5为串口扩展芯片数据接收模块结构图；
图6为串口扩展芯片数据发送模块结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述：
如图1所示，串口扩展芯片的结构如上图所示。它由振荡电路模块(OSC)，定时器模块(Timer)，负责对输入地址进行处理及产生输出地址的地址处理模块(ADDR_Process)，负责控制信号译码及数据流控制的主控模块(Main_Control)、负责寄存命令字的命令字寄存器(Command_Register)、负责接收母口及子口数据的数据接收模块(Data_Receiver)、负责发送母口及子口数据的数据发送模块(Data_Transmitter)、负责缓冲子口接收数据的数据缓冲器(Data_Buffer)等8个模块组成。
振荡电路模块的输出端与定时器模块连接，主控模块分别与定时器模块、地址处理模块、命令字寄存器、数据接收模块、数据发送模块、数据缓冲器相连，数据接收模块、数据发送模块与外部通讯设备连接，地址处理模块连外部主机。
该串口扩展芯片的功能是实现对通用异步串口(UART)进行扩展，将1个UART串口扩展成多个UART串口。通过给主控模块输入一个模式选择信号(MS)确认芯片当前的工作模式——单通道模式或多通道模式。单通道模式下，芯片一个时刻只允许一个子串口工作，当前工作的子串口是外部主机通过对地址处理模块的控制进行选择的；多通道模式下，发送数据的子串口由主机通过地址处理模块进行选择，接收则为数据接收模块主动接收，同时地址处理模块产生并输出接收到数据的子串口地址信息，命令字寄存器模块和定时器模块配合完成各串口工作波特率的产生。
主控模块内部主要是一些译码电路以及一些采沿电路，产生数据流的控制信号，主要进行控制信号译码及数据流的控制，其主要功能包括：
a)对模式选择信号以及地址信息进行地址再编码；
b)根据接收模块的信号产生接收同步波特率启动信号、数据载入信号、复位信号等；
c)根据地址模块的信号产生对发送模块的数据载入等；
d)根据发送模块的信号产生地址输出、复位、清标志信号等；
e)根据地址信息和模式信号产生命令字的写入、读出、有效信号等，对命令字模块进行操作；
如图2所示，定时器模块包括分频系数产生器、多路选择器、母串口波特率分频器、子串口波特率分频器、母口发送/接收波特率产生器、多个子口发送/接收波特率产生器组成，分频系数产生器与多路选择器相连，多路选择器与母串口波特率分频器相连，母串口波特率分频器分别与母口发送/接收波特率产生器及子串口波特率分频器相连，子串口波特率分频器分别与多个子口发送/接收波特率产生器相连。
定时器根据命令字寄存器中波特率的类型生成相应不同分频系数；产生母、子串口的串口采样率(DataSampleEN)；配合主控模块(Main_Control)的信号(TXDTimerStar)产生各串口的发送波特率(ShiftOutCTL)；配合主控模块(Main_Control)的信号(RXDTimerStar)产生各串口的接收波特率(ShiftInCTL)。
根据波特率的类型(BR[2:0])译码产生相应的多个分频系数，经过多路选择器(MUX)选择一个分频系数进入第一级分频器；
对第一级分频器的输出16分频，产生一个控制序列，此序列控制上述的多路选择器(MUX)从多个分频系数中选择当前最好的分频系数进入第一级分频器；选择当前最好的分频系数的原则是使第一级分频器的输出最接近所需波特率的64倍(16×4)或96倍(16×6)，即使产生的波特率与设置的波特率误差最小。以达到最佳的接收效果和最好的发送效果。
第一级波特率分频器BRFirstDivider根据所设置波特率(BR)产生满足母串口16倍波特率的信号(MSample和SSample)，因为母口波特率为子口的6倍或4倍，所以MSample的频率为SSample的6倍或4倍。
接收波特率产生器(ReceiveBR)当启动信号(RXDTimerStart)有效时，在第一级分频信号的基础上再进行16分频，产生接收数据的移位控制信号(ShiftInCTL)。还要对第一级分频信号进行计数，产生接收数据的采样信号(DataSampleEN)。当启动信号(RXDTimerStart)无效(为0)时，停止产生ShiftInCTL和DataSampleEN。
发送波特率产生器(TransmitBR)当启动信号(TXDTimerStart)有效时，在第一级分频信号的基础上再进行16分频，产生发送数据的移位控制信号(ShiftOutCTL)。当启动信号(TXDTimerStart)无效(为0)时，停止产生ShiftOutCTL。
如图3所示，地址处理模块由多通道子口接收地址产生器、多通道子口发送地址产生器、单通道模式地址产生器组成，由一个控制信号选择；
多通道子口接收地址产生器由计数器、多路选择器、5个子串口接收有效标志寄存器组成，多路选择器分别与计数器和子串口接收有效标志寄存器连接；
多通道子口发送地址产生器由一个地址锁存器构成；
单通道模式地址产生器由一个缓冲电路组成；
如图3a所示，多通道工作方式下，当数据由子口到母口时，地址信息由地址发生器产生，并返回上位机，使上位机知道目前正在处理哪个子通道的数据信息，工作原理说明如下：
a)3位计数器对各子口的标志扫描，计数器的译码输出(REGFullFlag)与相应的子串口接收有效标志(FullFlag)比较：
b)若相同，则计数器保持，且输出计数器的值和地址信号(ADDValidFlag)有效；
c)若不相同，则计数器加1，且输出地址无效信号；直到查询到下一个有效地址；
d)若所有的子串口接收标志都为无效(没有接收到数据)，则计数器保持；
e)当母串口发送完当前计数器输出的地址的数据的第5位时将本地址发送给上位机(有相应的信号ADDSendCTL控制)；
f)当母串口发送完当前计数器输出的地址的数据则清除本地址的有效标志(计数器可继续查询)；
如图3b所示，多通道工作方式下，当数据由母口到子口时由上位机发出的地址信息需要锁存，以保证在数据帧传输过程中，地址信息的变化不会对数据传输产生不利的影响，我们采取的策略是在收到数据起始位信息时，锁存子口发送的地址信息。
如图3c、3d所示，单通道工作方式下，地址是直通的。
如图4所示，命令字寄存器模块由一个临时寄存器和一个工作寄存器组成，它们直接连接。
命令字寄存器用于存储上位机写入的命令字，此命令寄存器内容(CMDData[3:0])可由上位机读出；命令字包含通讯子口、母口通讯波特率(BR[2:0])和数据帧的长度(FL)2种信息。
有2个4位寄存器，其中一个工作寄存器(上图中右边的寄存器)用于保存上一次写入的命令字(此命令字为真正起作用的命令字)，另一个临时寄存器(上图中左边的寄存器)用于保存当前写入的命令字；
当写入命令字时，由相应的信号(LoadCMD)控制载入要写入的命令字(CMDIn[3:0])到临时寄存器；当外部输入的地址STADD0～2不是‘000’时，由相应的信号(CMDValid)控制临时寄存器的内容载入到命令字工作寄存器，此时写入的命令字正式起作用。
如图5所示，数据接收模块由起始位检测器、数据采样器、数据判决器、高十位数据移位寄存器和低一位数据移位寄存器、多路选择器组成，数据采样器和数据判决器连接，数据判决器与高十位数据移位寄存器连接，高十位数据移位寄存器输出接低一位数据移位寄存器输入，多路选择器与高十位数据移位寄存器和低一位数据移位寄存器的输出端相连。
其工作原理如下：
1)对输入信号同步；
2)位检测采样频率是波特率的16倍；
3)用2位寄存器对帧起始沿采样；
4)如果3)寄存器的输出为‘0’，则同步波特率产生器起动保证接收波特率与发送端同步；
5)如果对采样寄存器的判决为‘1’，则停止同步且3)；如果采样寄存器的判决为‘0’，则6)；采用3中选2法判决；
6)接收数据寄存器移位(第8个采样脉冲延迟一个TOSC时间)；(高电平沿移位)
7)采样寄存器进行判决且移位，重复6)，直到8)成立；
8)如果移位寄存器的最高位为‘0’，则停止同步标志且报告接收一帧完成；(无需等到16个采样全部完成)
9)返回到3)。
只有3)的输出为‘0’才能启动波特率产生器同步。如果起始位无效则继续监测帧起始沿。
如果为单通道描述，RXD一直为′1′。
如图6所示，数据发送模块由十一位数据移位寄存器、一位数据移位寄存器、多路选择器、移位输出寄存器组成，它们串联在一起。
工作原理如下：
1)根据帧长指示(FL)设置输出移位寄存器的有效长度；
2)初始化数据输出移位寄存器、停止位寄存器(1位，保存停止位)；
3)根据地址信息打开对应Buffer数据到串口发送移位寄存器的数据通路；
4)将数据载入发送移位寄存器；
5)启动对应的同步波特率发生器；
6)以波特率控制数据移位输出，最高位填充停止位寄存器的反相信号；
7)结束判断，当数据输出移位寄存器的内容和停止位寄存器的内容相异时发送数据完成。(当母口数据输出移位高5位寄存器的内容和停止位寄存器的内容相异时可通知主控发送当前地址)。

Claims (1)

1、一种串口扩展芯片，它由振荡电路模块、定时器模块、地址处理模块、主控模块、命令字寄存器、数据接收模块、数据发送模块、数据缓冲器八个模块组成，振荡电路模块的输出端与定时器模块连接，主控模块分别与定时器模块、地址处理模块、命令字寄存器、数据接收模块、数据发送模块、数据缓冲器相连，数据接收模块、数据发送模块与外部通讯设备连接，地址处理模块连外部主机，其特征在于：
定时器模块包括分频系数产生器、多路选择器、母串口波特率分频器、子串口波特率分频器、母口发送波特率产生器、母口接收波特率产生器、多个子口发送波特率产生器、多个子口接收波特率产生器组成，分频系数产生器与多路选择器相连，多路选择器与母串口波特率分频器相连，母串口波特率分频器分别与母口发送波特率产生器、母口接收波特率产生器及子串口波特率分频器相连，子串口波特率分频器分别与多个子口发送波特率产生器、多个子口接收波特率产生器相连；
地址处理模块由多通道子口接收地址产生器、多通道子口发送地址产生器、单通道模式地址产生器组成，由一个控制信号选择；
多通道子口接收地址产生器由计数器、多路选择器、5个子串口接收有效标志寄存器组成，多路选择器分别与计数器和子串口接收有效标志寄存器连接；
多通道子口发送地址产生器由一个地址锁存器构成；
单通道模式地址产生器由一个缓冲电路组成；
命令字寄存器模块由一个临时寄存器和一个工作寄存器组成，它们直接连接；
数据接收模块由起始位检测器、数据采样器、数据判决器、高十位数据移位寄存器和低一位数据移位寄存器、多路选择器组成，起始位检测器的输入连接外部通讯设备，输出连接主控模块，数据采样器和数据判决器连接，数据判决器与高十位数据移位寄存器连接，高十位数据移位寄存器输出接低一位数据移位寄存器输入；数据发送模块由十一位数据移位寄存器、一位数据移位寄存器、多路选择器、移位输出寄存器组成，它们串联在一起。
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