NS16C2552/NS16C2752双UART芯片：特性、应用与设计要点

在电子设计领域，UART（通用异步收发传输器）芯片是实现串行通信的关键组件之一。今天，我们将深入探讨TI公司的NS16C2552和NS16C2752双UART芯片，它们在性能、功能和应用方面都有着独特的优势。

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芯片概述

NS16C2552和NS16C2752是双通道通用异步接收器/发射器（DUART），与PC16552D在引脚和功能上兼容，但在此基础上增加了许多新特性，如低电压支持、5V容忍输入、增强的寄存器集和更高的数据速率等。这两款芯片的两个串行通道相互独立，仅共享一个CPU接口和晶体输入。在电源开启时，两个通道的功能与PC16552D相同。

特性亮点

• 多功能输出：允许使用更少的I/O引脚实现更多的封装功能。
• 高数据传输速率：最高可达5 Mbit/s，满足高速通信需求。
• 宽电压范围：工作电压为2.97 V至5.50 V，增强了芯片的适应性。
• 大容量FIFO：NS16C2552的收发FIFO为16字节，NS16C2752则为64字节，有效缓冲数据，减少CPU处理负担。
• 多种流控制方式：支持自动硬件流控制（Auto - CTS、Auto - RTS）和自动软件流控制（Xon、Xoff、Xon - any），确保数据传输的可靠性。
• 可编程特性：字符长度、奇偶校验、停止位等均可编程，适应不同的通信协议。
• 中断控制：独立控制和优先化的发送和接收中断，提高CPU处理效率。
• 红外模式：集成IrDA v1.0兼容的红外编码器和解码器，支持红外通信。

引脚与接口

芯片的引脚分为并行总线接口、串行I/O接口、时钟和复位、电源和地等几类。下面我们重点介绍几个关键接口：

并行总线接口

• 数据总线（D7 - D0）：8位三态输入/输出线，实现UART与CPU之间的双向通信，传输数据、控制字和状态信息。
• 寄存器地址（A2 - A0）：3个输入引脚，用于选择DUART寄存器，方便CPU进行读写操作。
• 芯片选择（CS）：低电平有效，选中芯片后，DUART与CPU之间的通信才能正常进行。
• 通道选择（CHSL）：用于选择串行通道，1表示通道1，0表示通道2。
• 读写控制（RD、WR）：分别控制寄存器数据的读取和写入操作。

串行I/O接口

• SIN、SOUT：串行输入和输出引脚，实现数据的串行传输。
• RI、CTS、DSR、DCD：MODEM控制输入引脚，用于与MODEM或外设进行通信。
• DTR、RTS、OUT1、OUT2：MODEM控制输出引脚，可根据需要进行配置。

时钟和复位

• XIN、XOUT：外部晶体输入和输出引脚，与晶体组成反馈电路，为波特率发生器提供时钟。
• MR：主复位引脚，高电平有效，可清除大部分寄存器。

寄存器设置

芯片包含两个相同的寄存器集，分别用于两个通道。通过对寄存器的配置，可以实现不同的功能。以下是一些重要寄存器的介绍：

接收缓冲寄存器（RBR）

用于存储接收到的数据，可通过读取该寄存器获取接收数据。

发送保持寄存器（THR）

CPU将发送数据写入该寄存器，然后由UART进行发送。

中断使能寄存器（IER）

用于使能不同类型的中断，如接收数据可用中断、发送保持寄存器空中断等。

中断识别寄存器（IIR）

记录中断的优先级和状态，帮助CPU快速处理中断。

FIFO控制寄存器（FCR）

用于启用FIFO、清除FIFO、设置FIFO触发级别和选择DMA模式。

线路控制寄存器（LCR）

指定异步数据通信的格式，如字符长度、奇偶校验、停止位等，还可设置除数锁存访问位（DLAB）。

波特率发生器

每个通道都有一个可编程的波特率发生器，可将输入时钟除以1至$2^{16}-1$的任意除数，产生16X时钟，驱动发送和接收部分。通过设置除数锁存器（DLL和DLM），可以实现不同的波特率。

操作与配置

时钟输入

芯片内置振荡器，可接受标准晶体输入，产生的时钟频率范围为DC至24 MHz。每个通道都有独立的可编程时钟分频器，因此可以设置不同的波特率。在使用外部晶体时，需要注意晶体的参数和负载电容的选择。

复位

芯片具有上电复位功能，可适应缓慢上升的电源。复位后，芯片的输出状态会恢复到默认值。

接收操作

接收部分包括一个8位接收移位寄存器（RSR）和一个16或64字节的FIFO。在FIFO模式下，可以根据FIFO指针的触发级别产生中断或请求DMA传输。同时，还支持硬件和软件流控制，防止接收数据溢出。

发送操作

发送部分包括一个8位发送移位寄存器（TSR）和一个16或64字节的FIFO。在FIFO模式下，当Tx FIFO的空空间超过阈值时，会产生中断或请求DMA传输。同样，也支持硬件和软件流控制，确保数据的可靠发送。

DMA操作

使用RXRDY和TXRDY信号可以实现更高效的直接内存访问（DMA）传输，减少CPU的处理负担。在模式0下，每次RXRDY和TXRDY的有效信号会触发一次单字节传输；在模式1下，可以进行块传输。

红外模式

通过设置MCR[6]为1，可以启用红外模式。在该模式下，SOUT在空闲状态下为逻辑0，发送时会发送3/16位宽的脉冲，实现红外通信。

设计注意事项

调试提示

• 检查电源电压是否在正常范围内。
• 核对引脚连接是否正确。
• 检查PCB是否存在短路问题。
• 验证时钟输入的频率和电压摆动。
• 确保复位信号正常。
• 使用内部回环模式测试CPU接口。
• 检查串行数据的输入和输出。

时钟频率精度

由于UART的发送和接收时钟在不同的时钟域，时钟频率的偏差可能会导致数据错误。因此，需要控制时钟频率的误差在一定范围内，以确保数据的正确恢复。一般来说，数据包长度越短，对时钟误差的容忍度越高。

晶体要求

• 晶体类型为并联谐振、基频。
• 频率范围为24 MHz。
• 负载电容为10 - 22 pF。
• 等效串联电阻（ESR）为20 - 120 Ω。
• 频率稳定性在0至70°C范围内为100 ppm。

配置示例

以下是一些常见的配置示例，帮助你快速上手：

设置波特率

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

配置预分频器输出

- 保存LCR 0x03.7:0到临时变量
- LCR 0x03.7:0 = 0xBF
- EFR 0x02.4 = 1
- LCR 0x03.7:0 = 0
- MCR 0x04.7 = 1（或0，根据需要选择）
- LCR 0x03.7:0 = 0xBF
- EFR 0x02.4 = 0（可选）
- LCR 0x03.7:0 = 临时变量

设置Xon和Xoff流控制

- 保存LCR 0x03.7:0到临时变量
- LCR 0x03.7:0 = 0xBF
- Xon1 0x04.7:0 = VAL1
- Xoff1 0x06.7:0 = VAL2
- LCR 0x03.7:0 = 临时变量

与其他UART的比较

与PC16552D相比，NS16C2552和NS16C2752在FIFO大小、电源电压、最高波特率、时钟输入频率、工作温度等方面都有明显的优势。同时，还增加了许多增强功能，如睡眠模式、软件和硬件自动流控制、红外模式等。

总结

NS16C2552和NS16C2752是两款功能强大的双UART芯片，具有高数据速率、大容量FIFO、多种流控制方式等特点，适用于各种串行通信应用。在设计过程中，需要注意时钟频率精度、晶体选择和引脚连接等问题，通过合理配置寄存器，可以实现不同的功能需求。希望本文能为电子工程师们在使用这两款芯片时提供一些帮助。你在使用UART芯片时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。