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RS-232多串口擴展器件SP2538及其應用
摘要：SP2538是采用低功耗CMOS工藝生產的專用串行口（RS232）擴展芯片，它可將單片機或DSP等原有的單UART串口擴展至５個全雙工UART口，從而解決了此類器件串口太少的問題。文中介紹了SP2538的性能特點，引腳功能及應用方法，并以單片機為例給出了多串口擴展的硬件電路及相應的通信程序。關鍵詞：RS-232；串口擴展；單片機；SP2538
１ 概述
ＳＰ２５３８是專用低功耗串行口擴展芯片，該芯片主要是為解決當前基于ＵＡＲＴ串口通信的外圍智能模塊及器件較多，而單片機或ＤＳＰ原有的ＵＡＲＴ串口又過少的問題而推出的。利用該器件可將現有單片機或ＤＳＰ的單串口擴展至５個全雙工串口。與其它具有多串口的單片機或串口擴展方案相比，采用ＳＰ２５３８實現的多串口擴展方案，具有擴展串口數量多、對擴展單片機的軟硬件資源占用少、使用方法簡單、待擴展串口可實現較高的波特率、成本低廉、性價比高等優點。同時，它還具有如下特點：
●可將單ＵＡＲＴ串口擴展為５個ＵＡＲＴ串口；
●工作速率范圍寬，５個子串口可產生２４００ｂｐｓ～９６００ｂｐｓ之間的任意波特率；
●可全雙工工作，母串口和所有子串口都支持全雙工ＵＡＲＴ傳輸模式；
●工作電源電壓范圍寬：３．３Ｖ～５．５Ｖ；(范文先生網www.ycxgx.cn收集整理)
●典型工作電流為４．６ｍＡ(子串口速率為９６００ｂｐｓ、ＶＣＣ為３．３Ｖ時)；
●資源占用少，除占用上位機原有串行口中斷外，不占用任何中斷資源；
●具有節電模式，進入節電模式后，其典型靜態電流約８μＡ；
●上位機發送數據可自動喚醒；
●輸出誤差小，所有子串口的輸出波特率誤差均小于０．０８％；
●誤碼率低于１０－９（所有串行口數據輸入波特率誤差小于等于±２％）；
●接收范圍寬，波特率誤差小于２．５％時，子串口即可完全正確接收；母串口的接收范圍更寬，并可自適應５６０００ｂｐｓ和５７６００ｂｐｓ兩種標準波特率（ｆｏｓｃ—ｉｎ 為２０．０ＭＨｚ時）；
● 可用上位機進行監控，并具有上電復位和看門狗監控輸出，適用于沒有看門狗或需要更多重監控的高可靠上位機程序監控系統。
２ 引腳功能
ＳＰ２５３８具有雙列直插ＤＩＰ及雙列貼片ＳＯＩＣ兩種封裝形式。后綴為ＳＰ２５３８ｘｘＨ的復位時輸出高電平而后綴為ＳＰ２５３８ｘｘＬ的復位時輸出低電平，可分別適用高、低電平復位的單片機。圖１給出了ＤＩＰ封裝高電平復位ＳＰ２５３８ＤＰＨ的外形及引腳排列圖，各引腳的功能說明列于表１。
表1 SP2538引腳說明
３ 應用說明
３．１ 母串口收發數據過程與時序
（１）上位機接收來自母串口的數據
上位機從母串口接收到一個字節數據后，會立即讀取ＳＰ２５３８的輸出地址ＡＤＲＯ２～ＡＤＲＯ０（編碼方式為：８－４－２－１碼），然后根據輸出地址的編碼即可判斷接收到的數據來自哪個子串口，上位機接收來自母串口的數據時序如圖２所示。
（２）上位機向母串口發送數據
發送數據時，上位機首先通過串口寫入欲發送數據的子串口號，即先由上位機的串口發送數據地址ＡＤＲＩ２～ＡＤＲＩ０（編碼方式：８－４－２－１碼），然后將欲發送的數據由上位機串口發出。需要注意的是：母串口的波特率是子串口的６倍，即上位機在連續向母串口發送６個字節的時間內，子串口才能發送完一個字節。上位機向母串口發送數據的時序如圖３所示。表２列出了ＳＰ２５３８的操作時限要求。
表2 SP2538操作時限
３．２ 其它說明
母串口和所有子串口內部均具有獨立的數據發送緩沖存儲器（ＦＩＦＯ Ｂｕｆｆｅｒ）和接收緩沖存儲器（ＦＩＦＯ Ｂｕｆｆｅｒ），所有的ＲＳ２３２串行口都支持全雙工異步傳輸模式，即所有串行口都可以同時獨立接收和發送數據，且不會丟失任何數據。
母串口波特率由Ｋ１＝２８８０ ｆｏｓｃ－ｉｎ計算，其單位為ＭＨｚ，且ｆｏｓｃ—ｉｎ小于２０．０Ｈｚ。在ＳＰ２５３８輸入時鐘ｆｏｓｃ—ｉｎ為２０．０ＭＨｚ時，母串口可自動適應上位機的５６０００ｂｐｓ和５７６００ｂｐｓ兩種標準波特率輸入，即ｆｏｓｃ—ｉｎ為２０．０ＭＨｚ時，上位機的ＲＳ２３２波特率可以設置成５６０００ｂｐｓ或５７６００ｂｐｓ。子串口波特率為：Ｋ２＝４８０ ｆｏｓｃ—ｉｎ 。
母串口和所有子串口都是ＴＴＬ電平接口，可直接與單片機或ＴＴＬ數字電路接口，若需連接ＰＣ機，則必須增加電平轉換芯片，如ＭＡＸ２０２，ＩＣＬ２３２等。
ＳＰ２５３８具有內置的上電復位電路和可關閉的看門狗監控電路，用于監控上位機程序是否正常運行，同時也可以簡化上位機復位電路的設計。上位機寫命令字“０ｘ１０”可實現喂狗，而寫命令字“０ｘ１５”則可關閉看門狗（初次上電后，看門狗處于激活狀態），寫命令字“０ｘ２０”可激活看門狗監控功能。
上位機可通過芯片復位指令（命令字為“０ｘ３５”）在任何時候對芯片進行指令復位（復位時間Ｔｒｅｓｅｔ小于５０μｓ）。
圖2和圖3
上位機可通過芯片睡眠指令（命令字為“０ｘ５５”）使芯片在任何時候進入微功耗睡眠模式，以降低系統功耗。初次上電后，芯片不會自行進入睡眠模式。應當注意的是，只能由上位機發送任意一個字節數據將其喚醒，而其它所有子串口均不能將其喚醒。
未使用的輸入端口（如：ＲＸ０、ＲＸ１、ＲＸ２…等）必須連接到ＶＣＣ，未使用的輸出端口（如：ＴＸ０、ＴＸ１、ＴＸ２…、ＡＤＲＯ０、ＡＤＲＯ１…等）必須懸空。
４ 應用實例
ＳＰ２５３８的應用領域包括數據采集、工業控制、儀器儀表、智能家電、醫療設備、稅控加油機、商業ＰＯＳ機、家庭安防控制、車輛監控和調度、ＧＰＳ衛星定位與導航、有線及無線數據傳輸、基于ＰＣ機的多串口卡、水、電、氣表抄表系統、室外多媒體電子廣告以及其它對通信穩定性、成本和開發周期要求比較嚴格的各種應用和工業ＭＯＤＥＭ陣列等方面。
４．１ 應用電路
利用ＳＰ２５３８可將僅有一個ＵＡＲＴ串口的單片機擴展為具有５個ＵＡＲＴ串口的單片機。圖４以常用的ＡＴ８９Ｃ５２單片機為例給出了相應的串口擴展電路。圖中，ＡＴ８９Ｃ５２的全雙工串口與ＳＰ２５３８的母串口５相連。該串口５同時也作為命令／數據口。ＳＰ２５３８的ＡＤＲＩ０、ＡＤＲＩ１、ＡＤＲＩ２分別與ＡＴ８９Ｃ５２的Ｐ２．３、Ｐ２．４、Ｐ２．５口相連，可用于選擇發送數據時的相應串口０～４，ＡＤＲＯ０、ＡＤＲＯ１、ＡＤＲＯ２與ＡＴ８９Ｃ５２的Ｐ２．０、Ｐ２．１、Ｐ２．２口線相連，可用于判別接收的數據來自串口０～４的哪一個。ＳＰ２５３８的時鐘頻率可選為２０ＭＨｚ，此時母串口５的波特率為５７６００ｂｐｓ，串口０～４的波特率為９６００ｂｐｓ。
４．２ 應用程序
下面是與上述硬件電路相關的接口程序，該程序用Ｃ５１語言編制，程序分為上位機發送、接收中斷服務程序和主程序兩部分。
ｕｃｈａｒ ｉｄａｔａ ｕａｒｔ０_ｔ_ｂｕｔ[８];?
ｕｃｈａｒ ｉｄａｔａ ｓｅｎｄ_ｂｕｆ[８];
ｕｃｈａｒ ｉｄａｔａ ｕａｒｔ０_ｒ_ｂｕｔ
ｕｃｈａｒ ｉｄａｔａ ｕａｒｔ０_ｓｅｎｄ_ｎｕｍ
ｕｃｈａｒ ｉｄａｔａ ｕａｒｔ_ｐｏｒｔ_ｎｕｍ,ｓｅｎｄ_ｂｙｔｅ_ｎｕｍ,ｕａｒｔ_ｐｏｉｎｔ-ｅｒ?
ｂｉｔ ｂｄａｔａ ｗｒｉｔｅ ｓｕｃｃｅｓｓ,ｕａｒｔ_ｂｕｓｙ;
ｂｉｔ ｂｄａｔａ ｕａｒｔ０_ｒｅｃｅｉｖｅ
ｓｂｉｔ ＡＤＲＩ_０＝Ｐ２＾０;
ｓｂｉｔ ＡＤＲＩ_１＝Ｐ２＾１;
ｓｂｉｔ ＡＤＲＩ_２＝Ｐ２＾２;
ｓｂｉｔ ＡＤＲＯ_０＝Ｐ２＾３;
ｓｂｉｔ ＡＤＲＯ_１＝Ｐ２＾４;
ｓｂｉｔ ＡＤＲＯ_２＝Ｐ２＾５;
ｓｅｒｉａｌ()ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ４ ｕｓｉｎｇ３{ ／／上位機ＲＳ２３２接收、發送中斷入口
ｉｆ(ＲＩ){?
ＲＩ＝０;
Ｓｗｉｔｃｈ(Ｐ２＆０ｘ０７){
ｃａｓｅ
ｕａｒｔ０_ｒ_ｂｕｆ＝ＳＢＵＦ
ｕａｒｔ０_ｒｅｃｅｉｖｅ＝１
ｂｒｅａｋ;
}
ｅｌｓｅ {
ＴＩ＝０;
ｓｗｉｔｃｈ(ｕａｒｔ_ｐｏｉｎｔｅｒ){
ｃａｓｅ
ｕａｒｔ_ｐｏｉｎｔｅｒ＋＋;
ｉｆ(ｕａｒｔ０_ｓｅｎｄ_ｎｕｍ){
ＡＤＲＯ_０＝０;
ＡＤＲＯ_１＝０;
ＡＤＲＯ_２＝０;
Ｕａｒｔ０_ｓｅｎｄ_ｎｕｍ－－;
ＳＢＵＦ＝ｕａｒｔ０_ｔ_ｂｕｆ[ｕａｒｔ０_ｓｅｎｄ_ｎｕｍ]
ｕａｒｔ_ｂｕｓｙ＝１
ｂｒｅａｋ;
}
ｅｌｓｅｉｆ(ｕａｒｔ１_ｓｅｎｄ_ｎｕｍ｜ｕａｒｔ２_ｓｅｎｄ_ｎｕｍ｜ｕａｒｔ３_ｓｅｎｄ＿ｎｕｍ｜ｕａｒｔ４_ｓｅｎｄ_ｎｕｍ)
{
ＡＤＲＯ_０＝０
ＡＤＲＯ_１＝０
ＡＤＲＯ_２＝０
ＳＢＵＦ＝０ｘ００
ｕａｒｔ_ｂｕｓｙ＝１
ｂｒｅａｋ;
}
ｅｌｓｅ {ｕａｒｔ_ｂｕｓｙ＝０;ｂｒｅａｋ;}
}
注： ｃａｓｅ１：…
ｃａｓｅ２：…
ｃａｓｅ３：…
ｃａｓｅ４：…
除地址不同外其余同ｃａｓｅ０。
Ｖｏｉｄ ｕａｒｔ_ｓｅｎｄ(ｕｎｃｈａｒ ｕａｒｔ_ｐｏｒｔ_ｎｕｍ,ｕｃｈａｒ ｓｅｎｄ_ｂｙｔｅ ｎｕｍ){
ｕｃｈａｒ ｉ
ｓｗｉｔｃｈ（ｕａｒｔ_ｐｏｒｔ_ｎｕｍ）“
ｃａｓｅ
ｆｏｒ（ｉ＝０；ｉ＜ｓｅｎｄ_ｂｙｔｅ_ｎｕｍ；ｉ＋＋）{
ｕａｒｔ０_ｔ_ｂｕｆｆ[ｉ]＝ｓｅｎｄ_ｂｕｆ[ｉ];?
}
ｕａｒｔ０_ｓｅｎｄ_ｎｕｍ＝ｓｅｎｄ_ｂｙｔｅ_ｎｕｍ;
ｗｒｉｔｅ_ｓｕｃｃｅｓｓ＝１;
ｉｆ（ｕａｒｔ_ｂｕｓｙ＝＝０）{
Ｔ１＝１;
ｕａｒｔ_ｐｏｉｎｔｅｒ＝０;
ｂｒｅａｋ；
}
ｅｌｓｅ{ｂｒｅａｋ;}?
}
注： ｃａｓｅ１：…
ｃａｓｅ２：…
ｃａｓｅ３：…
ｃａｓｅ４：…
除地址不同外其余同ｃａｓｅ０。
ｍａｉｎ(){
ＴＭＯＤ＝０ｘ２０；
ＴＨＩ＝０ｘｆｆ；
ＴＣＯＮ＝０ｘ４０；
ＳＣＯＮ＝０ｘ５０；
ＰＣＯＮ＝０ｘ８０； ／／波特率加倍
ＩＥ＝０ｘ９０；
ＰＩ＝０；
ｗｈｉｌｅ（１）“?
ｓｅｎｄ_ｂｕｆ[０]＝０ｘ３１;
ｗｒｉｔｅ_ｓｕｃｃｅｓｓ＝０;
ｉｆ(!ｕａｒｔ０_ｓｅｎｄ_ｎｕｍ){
ｕａｒｔ_ｓｅｎｄ(０,４)
}
}
}
５ 結束語
近年來，以單片機為核心構成的具有ＵＡＲＴ接口的智能儀器儀表及智能模塊不斷涌現，此類產品可方便地與單片機構成分布式系統。另一方面，系統中的單片機也要與上位計算機之間進行通信，從而構成二級分布式系統。ＳＰ２５３８的出現為此類多串口應用領域提供了一個良好的解決方案。
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