NS16C2552/NS16C2752双串口UART芯片深度剖析

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。TI公司的NS16C2552和NS16C2752双串口UART芯片，以其高性能和丰富的功能，在众多应用场景中得到广泛应用。本文将对这两款芯片进行详细解析，帮助电子工程师更好地理解和使用它们。

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芯片概述

NS16C2552和NS16C2752是具有16字节/64字节FIFO的双串口UART芯片，数据传输速率最高可达5 Mbit/s。它们与PC16552D在引脚和功能上兼容，同时增加了许多新特性，如低电压支持、5V容忍输入、增强型寄存器集和更高的数据速率等。芯片采用44 - PLCC或48 - TQFP封装，工作电压范围为2.97 V至5.50 V，工业温度范围为 - 40°C至85°C。

特性亮点

• 多功能输出：通过较少的I/O引脚实现更多的封装功能，提高了芯片的集成度和灵活性。
• 双独立UART：两个串行通道完全独立，除了共享CPU接口和晶体输入外，可独立进行数据传输，适用于多通道通信需求。
• 高数据传输速率：最高可达5 Mbit/s的数据传输速率，满足高速数据通信的要求。
• 低电压支持：工作电压范围为2.97 V至5.50 V，降低了功耗，适用于电池供电的设备。
• 5V容忍I/O：在整个电源电压范围内，I/O引脚能够容忍5V电压，增强了芯片的兼容性。

引脚说明

芯片的引脚分为总线接口、串行I/O接口、时钟和复位、电源和接地引脚等几类。每个引脚的功能和作用都有明确的定义，以下是一些关键引脚的说明：

并行总线接口

• D7 - D0：数据总线，提供UART与CPU之间的双向通信，用于传输数据、控制字和状态信息。
• A2 - A0：寄存器地址，用于选择DUART寄存器，供CPU进行读写操作。
• CS：芯片选择，低电平有效，使能DUART与CPU之间的通信。
• CHSL：通道选择，用于选择要访问的串行通道。
• RD：IO读，在下降沿将寄存器数据放置在D7 - D0上，CPU可在上升沿读取状态信息或数据。
• WR：IO写，在下降沿将数据放置在D7 - D0上，上升沿将数据锁存到所选的DUART寄存器中。

串行I/O接口

• SIN：串行输入，接收外部设备发送的串行数据。
• SOUT：串行输出，向外部设备发送串行数据。
• RI：振铃指示，用于检测电话振铃信号。
• MF：多功能引脚，可通过编程选择OUT2、BAUDOUT或RXRDY等信号功能。

时钟和复位

• XIN：外部晶体输入，与XOUT配合形成反馈电路，为波特率发生器的振荡器提供时钟信号。
• XOUT：外部晶体输出，与XIN配合形成反馈电路。
• MR：主复位，高电平有效，清除所有寄存器（除接收器缓冲区、发送器保持寄存器和除数锁存器外）。

电源和接地

• VCC：电源输入，工作电压范围为2.97 V至5.50 V。
• GND：接地引脚，提供参考地。

寄存器设置

芯片包含两个相同的寄存器集，每个通道一个。寄存器的地址和控制引脚与寄存器选择的关系在表1中进行了总结。以下是一些重要寄存器的功能说明：

接收缓冲区寄存器（RBR）

用于存储接收到的数据，可通过该寄存器访问接收器FIFO中的数据。

发送保持寄存器（THR）

用于存储要发送的数据，是发送FIFO的输入寄存器。

中断使能寄存器（IER）

用于使能各种中断源，每个中断源可独立控制，通过设置相应的位来启用或禁用中断。

中断识别寄存器（IIR）

用于记录中断的优先级和来源，CPU读取该寄存器时，可获取最高优先级的待处理中断信息。

FIFO控制寄存器（FCR）

用于启用FIFOs、清除FIFOs、设置FIFO触发级别和选择DMA模式。

线路控制寄存器（LCR）

用于指定异步数据通信的格式，如数据位长度、停止位长度、奇偶校验等，并设置除数锁存器访问位。

调制解调器控制寄存器（MCR）

用于控制与调制解调器或外设的接口，包括时钟分频选择、红外编码器/解码器选择、Xon - Any功能启用等。

线路状态寄存器（LSR）

提供数据传输的状态信息，如接收缓冲区是否有数据、发送器是否空闲、是否发生错误等。

调制解调器状态寄存器（MSR）

提供调制解调器控制线路的当前状态信息，以及状态变化信息。

可编程波特率发生器

每个通道都有一个独立的可编程波特率发生器，可将输入时钟除以1至(2^16 - 1)的任意除数，生成16X时钟，驱动发送器和接收器部分。

操作与配置

时钟输入

芯片具有片上振荡器，可接受标准晶体的并联谐振和基频信号。生成的时钟提供给两个UART通道，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，因此每个通道可以有不同的波特率。

复位

芯片具有片上上电复位功能，可适应缓慢上升的电源电压。上电复位电路会将设备保持在复位状态2^23个XIN时钟周期。此外，还可以施加外部高电平复位信号。

接收器操作

每个串行通道包含一个8位接收移位寄存器（RSR）和一个16（或64）字节的接收FIFO。RSR使用16X时钟作为定时源，在接收到起始位后，开始对数据进行采样和验证，将数据帧加载到RBR和接收FIFO中，并更新错误标签。

发送器操作

发送器由一个8位发送移位寄存器（TSR）和一个16（或64）字节的发送FIFO组成。TSR以16X内部时钟将数据移出，发送过程包括起始位、数据位、奇偶校验位（如果启用）和停止位。

硬件流控制

芯片支持RTS和CTS硬件流控制，可通过设置相应的寄存器位来启用。RTS用于请求远程设备暂停或恢复数据传输，CTS用于监控远程接收器FIFO是否溢出，以暂停或恢复本地发送器的工作。

软件XON/XOFF流控制

软件流控制使用编程的Xon或Xoff字符来实现发送/接收流控制。当接收到的字符与编程的值匹配时，发送器会暂停操作，直到接收到Xon字符后恢复传输。

特殊字符检测

当EFR[5] = 1时，UART可以检测8位特殊字符。检测到特殊字符后，会将其加载到FIFO中，并设置相应的标志位。

睡眠模式

为了降低功耗，芯片具有每个通道独立的睡眠模式。当满足一定条件时，通道可以进入睡眠模式，在检测到特定事件时唤醒。

内部回环模式

芯片支持内部回环模式，可用于设计验证和诊断故障。在回环模式下，发送的数据会从发送移位寄存器输出循环到接收移位寄存器输入，系统可以接收自己发送的数据。

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。DMA传输在CPU周期之间进行，节省了CPU处理带宽。在模式0下，每次RXRDY和TXRDY的断言会导致单次传输；在模式1下，可以进行块传输，进一步提高传输效率。

设计注意事项

调试提示

在使用芯片时，如果设备出现异常，可按照以下步骤进行调试：

1. 检查电源电压是否在工作范围内。
2. 检查设备引脚连接是否与数据手册一致。
3. 检查未焊接元件的印刷电路板（PCB）是否存在短路。
4. 检查设备时钟输入，使用示波器检查晶体振荡频率。
5. 确保复位信号为高电平有效，且正常情况下为低电平。
6. 使用内部回环模式测试CPU主机接口，检查接口时序。
7. 如果回环模式正常，检查串行数据输出和输入，可通过外部循环测试数据路径的完整性。

时钟频率精度

在UART传输中，发送器时钟和接收器时钟运行在不同的时钟域，本地振荡器频率和时钟分频器可能会引入波特率误差。UART接收器的内部采样时钟是数据速率的16倍，通过合理设置时钟和分频器，可以确保数据的正确采样和传输。

晶体要求

使用的晶体应满足以下要求：

• 采用AT切割，并联谐振。
• 基频振荡模式，频率范围为1至24 MHz。
• 频率容差和漂移应满足UART应用要求。
• 负载电容应与振荡器电路的负载电容匹配，外部电容C1和C2用于调整负载电容。

配置示例

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

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

设置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阈值

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

与PC16552D的差异

与PC16552D相比，NS16C2552和NS16C2752在多个方面具有优势，如Tx和Rx FIFO大小、供电电压范围、最高波特率、最高时钟输入频率、工作温度范围、增强型寄存器集、睡眠模式、软件和硬件流控制、中断源ID、Tx FIFO触发级别选择、IrDA v1.0模式和时钟分频器选择等。具体差异如下表所示：	特性	PC16552D	NS16C2552	NS16C2752
Tx和Rx FIFO大小	16字节	16字节	64字节
供电电压	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
最高时钟输入频率	24MHz	80MHz	80MHz
工作温度	0 - 70℃	- 40至85℃	- 40至85℃
增强型寄存器集	否	是	是
睡眠模式IER[4]	否	是	是
Xon, Xoff, 和Xon - Any软件自动流控制	否	是	是
CTS和RTS硬件自动流控制	否	是	是
中断源ID在IIR中	3位	5位	5位
Tx FIFO触发级别选择FCR[5:4]	1级	1级	4级
IrDA v1.0模式MCR[6]	否	是	是
时钟分频器1或4选择MCR[7]	否	是	是

总结

NS16C2552和NS16C2752双串口UART芯片以其高性能、丰富的功能和良好的兼容性，为电子工程师提供了一个优秀的串行通信解决方案。通过深入了解芯片的特性、引脚功能、寄存器设置和操作配置，工程师可以充分发挥芯片的优势，设计出更加稳定、高效的通信系统。在实际应用中，还需要注意调试技巧、时钟频率精度和晶体要求等方面的问题，以确保系统的可靠性和稳定性。希望本文能够对电子工程师在使用NS16C2552和NS16C2752芯片时有所帮助。

各位工程师朋友，在使用这两款芯片的过程中，你们遇到过哪些有趣的问题或者有什么独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流！