NS16C2552/NS16C2752雙串口UART芯片深度剖析

在電子設計領域，UART（通用異步收發傳輸器）芯片是實現串行通信的關鍵組件。TI公司的NS16C2552和NS16C2752雙串口UART芯片，以其高性能和豐富的功能，在眾多應用場景中得到廣泛應用。本文將對這兩款芯片進行詳細解析，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/64字節FIFO的雙串口UART芯片，數據傳輸速率最高可達5 Mbit/s。它們與PC16552D在引腳和功能上兼容，同時增加了許多新特性，如低電壓支持、5V容忍輸入、增強型寄存器集和更高的數據速率等。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，工業溫度范圍為 - 40°C至85°C。

特性亮點

• 多功能輸出：通過較少的I/O引腳實現更多的封裝功能，提高了芯片的集成度和靈活性。
• 雙獨立UART：兩個串行通道完全獨立，除了共享CPU接口和晶體輸入外，可獨立進行數據傳輸，適用于多通道通信需求。
• 高數據傳輸速率：最高可達5 Mbit/s的數據傳輸速率，滿足高速數據通信的要求。
• 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備。
• 5V容忍I/O：在整個電源電壓范圍內，I/O引腳能夠容忍5V電壓，增強了芯片的兼容性。

引腳說明

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

并行總線接口

• D7 - D0：數據總線，提供UART與CPU之間的雙向通信，用于傳輸數據、控制字和狀態信息。
• A2 - A0：寄存器地址，用于選擇DUART寄存器，供CPU進行讀寫操作。
• 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據放置在D7 - D0上，CPU可在上升沿讀取狀態信息或數據。
• WR：IO寫，在下降沿將數據放置在D7 - D0上，上升沿將數據鎖存到所選的DUART寄存器中。

串行I/O接口

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

時鐘和復位

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

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。

寄存器設置

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

接收緩沖區寄存器（RBR）

用于存儲接收到的數據，可通過該寄存器訪問接收器FIFO中的數據。

發送保持寄存器（THR）

用于存儲要發送的數據，是發送FIFO的輸入寄存器。

中斷使能寄存器（IER）

用于使能各種中斷源，每個中斷源可獨立控制，通過設置相應的位來啟用或禁用中斷。

中斷識別寄存器（IIR）

用于記錄中斷的優先級和來源，CPU讀取該寄存器時，可獲取最高優先級的待處理中斷信息。

FIFO控制寄存器（FCR）

用于啟用FIFOs、清除FIFOs、設置FIFO觸發級別和選擇DMA模式。

線路控制寄存器（LCR）

用于指定異步數據通信的格式，如數據位長度、停止位長度、奇偶校驗等，并設置除數鎖存器訪問位。

調制解調器控制寄存器（MCR）

用于控制與調制解調器或外設的接口，包括時鐘分頻選擇、紅外編碼器/解碼器選擇、Xon - Any功能啟用等。

線路狀態寄存器（LSR）

提供數據傳輸的狀態信息，如接收緩沖區是否有數據、發送器是否空閑、是否發生錯誤等。

調制解調器狀態寄存器（MSR）

提供調制解調器控制線路的當前狀態信息，以及狀態變化信息。

可編程波特率發生器

每個通道都有一個獨立的可編程波特率發生器，可將輸入時鐘除以1至(2^16 - 1)的任意除數，生成16X時鐘，驅動發送器和接收器部分。

操作與配置

時鐘輸入

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

復位

芯片具有片上上電復位功能，可適應緩慢上升的電源電壓。上電復位電路會將設備保持在復位狀態2^23個XIN時鐘周期。此外，還可以施加外部高電平復位信號。

接收器操作

每個串行通道包含一個8位接收移位寄存器（RSR）和一個16（或64）字節的接收FIFO。RSR使用16X時鐘作為定時源，在接收到起始位后，開始對數據進行采樣和驗證，將數據幀加載到RBR和接收FIFO中，并更新錯誤標簽。

發送器操作

發送器由一個8位發送移位寄存器（TSR）和一個16（或64）字節的發送FIFO組成。TSR以16X內部時鐘將數據移出，發送過程包括起始位、數據位、奇偶校驗位（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，可通過設置相應的寄存器位來啟用。RTS用于請求遠程設備暫停或恢復數據傳輸，CTS用于監控遠程接收器FIFO是否溢出，以暫停或恢復本地發送器的工作。

軟件XON/XOFF流控制

軟件流控制使用編程的Xon或Xoff字符來實現發送/接收流控制。當接收到的字符與編程的值匹配時，發送器會暫停操作，直到接收到Xon字符后恢復傳輸。

特殊字符檢測

當EFR[5] = 1時，UART可以檢測8位特殊字符。檢測到特殊字符后，會將其加載到FIFO中，并設置相應的標志位。

睡眠模式

為了降低功耗，芯片具有每個通道獨立的睡眠模式。當滿足一定條件時，通道可以進入睡眠模式，在檢測到特定事件時喚醒。

內部回環模式

芯片支持內部回環模式，可用于設計驗證和診斷故障。在回環模式下，發送的數據會從發送移位寄存器輸出循環到接收移位寄存器輸入，系統可以接收自己發送的數據。

DMA操作

使用RXRDY和TXRDY信號可以實現更高效的直接內存訪問（DMA）傳輸。DMA傳輸在CPU周期之間進行，節省了CPU處理帶寬。在模式0下，每次RXRDY和TXRDY的斷言會導致單次傳輸；在模式1下，可以進行塊傳輸，進一步提高傳輸效率。

設計注意事項

調試提示

在使用芯片時，如果設備出現異常，可按照以下步驟進行調試：

1. 檢查電源電壓是否在工作范圍內。
2. 檢查設備引腳連接是否與數據手冊一致。
3. 檢查未焊接元件的印刷電路板（PCB）是否存在短路。
4. 檢查設備時鐘輸入，使用示波器檢查晶體振蕩頻率。
5. 確保復位信號為高電平有效，且正常情況下為低電平。
6. 使用內部回環模式測試CPU主機接口，檢查接口時序。
7. 如果回環模式正常，檢查串行數據輸出和輸入，可通過外部循環測試數據路徑的完整性。

時鐘頻率精度

在UART傳輸中，發送器時鐘和接收器時鐘運行在不同的時鐘域，本地振蕩器頻率和時鐘分頻器可能會引入波特率誤差。UART接收器的內部采樣時鐘是數據速率的16倍，通過合理設置時鐘和分頻器，可以確保數據的正確采樣和傳輸。

晶體要求

使用的晶體應滿足以下要求：

• 采用AT切割，并聯諧振。
• 基頻振蕩模式，頻率范圍為1至24 MHz。
• 頻率容差和漂移應滿足UART應用要求。
• 負載電容應與振蕩器電路的負載電容匹配，外部電容C1和C2用于調整負載電容。

配置示例

設置波特率

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

與PC16552D相比，NS16C2552和NS16C2752在多個方面具有優勢，如Tx和Rx FIFO大小、供電電壓范圍、最高波特率、最高時鐘輸入頻率、工作溫度范圍、增強型寄存器集、睡眠模式、軟件和硬件流控制、中斷源ID、Tx FIFO觸發級別選擇、IrDA v1.0模式和時鐘分頻器選擇等。具體差異如下表所示：	特性	PC16552D	NS16C2552	NS16C2752
Tx和Rx FIFO大小	16字節	16字節	64字節
供電電壓	4.5V至5.5V	2.97V至5.5V	2.97V至5.5V
最高波特率	1.5Mbps	5.0Mbps	5.0Mbps
最高時鐘輸入頻率	24MHz	80MHz	80MHz
工作溫度	0 - 70℃	- 40至85℃	- 40至85℃
增強型寄存器集	否	是	是
睡眠模式IER[4]	否	是	是
Xon, Xoff, 和Xon - Any軟件自動流控制	否	是	是
CTS和RTS硬件自動流控制	否	是	是
中斷源ID在IIR中	3位	5位	5位
Tx FIFO觸發級別選擇FCR[5:4]	1級	1級	4級
IrDA v1.0模式MCR[6]	否	是	是
時鐘分頻器1或4選擇MCR[7]	否	是	是

總結

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優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、寄存器設置和操作配置，工程師可以充分發揮芯片的優勢，設計出更加穩定、高效的通信系統。在實際應用中，還需要注意調試技巧、時鐘頻率精度和晶體要求等方面的問題，以確保系統的可靠性和穩定性。希望本文能夠對電子工程師在使用NS16C2552和NS16C2752芯片時有所幫助。

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特的應用經驗呢？歡迎在評論區分享交流！