XR16M890 UART：高性能单通道串口收发器的深度剖析

在电子设计领域，UART（通用异步收发传输器）是一种常见且关键的组件，广泛应用于各种设备的数据通信中。今天，我们就来深入探讨一下XR16M890这款单通道UART，它集成了电平转换器和128字节的收发FIFO，具备众多出色特性，为电子工程师在设计中提供了强大助力。

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一、XR16M890概述

XR16M890是一款高度集成的UART，最显著的特点就是它拥有4个VCC引脚，分别用于核心、UART信号、CPU接口信号和GPIO信号。这一设计使得它在混合电压环境下能灵活工作，可与不同电压等级的设备直接连接，无需额外的外部电压电平转换器。

其自动RS - 485半双工方向控制功能极大简化了半双工RS - 485应用的软硬件设计。多节点模式结合自动地址检测和地址字节控制功能，通过简化软件例程提高了整体性能。独立的TX/RX波特率生成器让收发器能以不同波特率工作，分数波特率生成器则为产生标准和非标准波特率提供了灵活的晶振/时钟频率选项。最高24 Mbps的数据传输速率、可编程的FIFO触发级别、自动硬件和软件流控制等特性，都进一步提升了它的实用性。同时，睡眠模式可有效降低功耗，16550兼容寄存器组为用户提供了便捷的操作和诊断方式。

二、关键特性解析

2.1 集成电平转换器

在CPU接口、UART和GPIO信号上都集成了电平转换器，这一特性使得XR16M890能与不同电压的设备无缝连接，大大减少了外部电路的复杂性。对于工程师来说，在设计混合电压系统时，无需再为电平转换问题烦恼，节省了设计时间和成本。

2.2 多种总线接口选择

提供了Intel、Motorola和VLIO三种总线接口，且数据总线事务无需时钟，每个总线周期都是异步的。这为不同的应用场景提供了更多选择。例如，在一些基于Intel架构的系统中，可选择Intel总线接口；而在某些使用Motorola芯片的设计中，Motorola总线接口就更为合适。这种灵活性使得XR16M890能广泛适配各种不同的系统。

2.3 可编程波特率生成器

具备独立的波特率生成器，且支持分数除数。通过MCR寄存器的软件位控制预分频器，可将输入的晶振或外部时钟除以1或4。BRG进一步将时钟按可编程除数进行分频，以获得16X、8X或4X的采样时钟。这一特性使得工程师能够根据具体需求灵活设置波特率，无论是标准波特率还是非标准波特率都能轻松实现。例如，在需要高速数据传输的场景中，可选择合适的采样率以提高传输效率。

2.4 流控制功能

• 自动RTS（硬件）流控制：可防止本地接收FIFO数据溢出。通过设置EFR位 - 6启用该功能，并通过设置MCR位 - 1使能RTS#输出引脚来启动。当接收FIFO达到选定的RX触发级别时，会产生中断，RTS#引脚会根据FIFO的数据量进行相应操作，确保数据传输的稳定性。
• 自动CTS流控制：用于防止远程接收FIFO数据溢出。通过设置EFR位 - 7启用该功能，当CTS#引脚状态改变时，UART会相应地暂停或重启本地发送器，保证数据的可靠传输。
• 自动Xon/Xoff（软件）流控制：通过比较接收数据字符与编程的Xon或Xoff字符值，实现数据传输的暂停和恢复。当接收字符匹配Xoff字符时，暂停传输；匹配Xon字符时，恢复传输。这一功能在软件层面实现了对数据传输的有效控制，避免了数据冲突。

2.5 特殊模式功能

• 红外线模式：兼容IrDA 1.0和1.1标准，通过设置MCR寄存器位 - 6和SFR位 - 3可启用不同标准。在红外线模式下，编码器会根据标准对数据进行编码，减少红外线LED的开启时间，降低功耗。例如，在一些需要无线红外通信的设备中，如遥控设备、红外数据传输设备等，该模式就发挥了重要作用。
• 睡眠模式：支持两种进入睡眠模式的方式，一种是通过IER位 - 4设置，另一种是通过SLEEP引脚。睡眠模式下，M890会停止晶体振荡器以节省功率，并在满足特定条件时自动唤醒。这对于一些对功耗要求较高的设备，如电池供电设备，非常重要，可有效延长设备的续航时间。
• 内部回环模式：通过设置MCR寄存器位 - 4启用，可用于系统诊断。在该模式下，发送数据会被内部路由到接收端，方便工程师检测系统的通信功能是否正常。

三、内部寄存器详解

XR16M890拥有丰富的内部寄存器，这些寄存器用于控制、监测和数据加载卸载等功能。以下是一些关键寄存器的介绍：

3.1 中断相关寄存器

• 中断使能寄存器（IER）：用于屏蔽来自接收数据就绪、发送空、线路状态和调制解调器状态寄存器的中断。不同的位对应不同的中断类型，通过设置这些位可灵活控制中断的启用和禁用。例如，IER[0]控制接收数据就绪中断，当设置为逻辑1时，在非FIFO模式下RHR有数据字符，或在FIFO模式下接收FIFO达到编程触发级别时，会发出中断。
• 中断状态寄存器（ISR）：提供六个中断状态位，通过读取该寄存器可获取当前最高优先级的待处理中断级别。不同的位组合代表不同的中断源，如LSR（接收器线路状态寄存器）、RXRDY（接收数据就绪）、TXRDY（发送就绪）等。中断的产生和清除都有相应的规则，例如LSR中断通过读取LSR寄存器清除，RXRDY中断通过读取数据直到FIFO低于触发级别清除。

3.2 FIFO控制寄存器（FCR）

用于启用FIFO、清除FIFO、设置发送/接收FIFO触发级别以及启用唤醒中断。FCR[0]控制TX和RX FIFO的启用，当设置为逻辑1时，才能对其他FCR位进行编程。FCR[1]和FCR[2]分别用于重置接收和发送FIFO指针及FIFO电平计数器逻辑。FCR[3]在EFR位 - 4为逻辑1时，可启用唤醒中断。FCR[5:4]和FCR[7:6]分别设置发送和接收FIFO的触发级别，选择不同的触发表可满足不同的应用需求。

3.3 线路控制寄存器（LCR）

用于指定异步数据通信格式，包括字长、停止位数量和奇偶校验等。LCR[1:0]选择发送和接收的字长，可选择5、6、7或8位；LCR[2]结合编程的字长指定停止位长度；LCR[3]、LCR[4]和LCR[5]共同控制奇偶校验的选择，可选择无校验、奇校验、偶校验、强制标记奇偶校验或强制空格奇偶校验。

3.4 调制解调器控制寄存器（MCR）

用于控制串行/调制解调器接口信号或通用输入/输出。MCR[0]和MCR[1]分别控制DTR#和RTS#输出；MCR[2]控制GPIO[3:0]的行为，可使其作为GPIO引脚或调制解调器IO引脚；MCR[3]在Intel和VLIO总线模式下控制INT输出的启用和禁用；MCR[4]启用内部回环模式；MCR[5]在EFR位 - 4为逻辑1时，启用Xon - Any功能；MCR[6]在EFR位 - 4为逻辑1时，启用红外线编码器/解码器；MCR[7]在EFR位 - 4为逻辑1时，选择时钟预分频器，可将输入时钟除以1或4。

3.5 线路状态寄存器（LSR）

提供UART与主机之间数据传输的状态信息。LSR[0]指示接收数据就绪，LSR[1]指示接收器溢出错误，LSR[2]到LSR[4]分别指示接收数据的奇偶校验错误、帧错误和中断条件，LSR[5]和LSR[6]分别指示发送保持寄存器和发送移位寄存器的状态，LSR[7]指示接收FIFO数据是否存在错误。

四、电气特性与封装

4.1 电气特性

XR16M890在不同的电压和温度条件下都有明确的电气特性指标。例如，其电源电压范围为1.62V至3.63V，在不同的电源电压下，输入输出的高低电平、功耗等参数都有相应的规定。在AC电气特性方面，不同总线模式下的数据总线读写时序也有详细的参数说明，如Intel模式、Motorola模式和VLIO模式下的地址建立时间、地址保持时间、片选宽度等。这些详细的电气特性为工程师在设计电路时提供了精确的参考，确保电路的稳定性和可靠性。

4.2 封装

提供了QFN - 32、QFN - 40和TQFP - 48三种封装形式，每种封装对应的GPIO数量和工作温度范围相同，但引脚排列和封装尺寸有所不同。详细的封装尺寸信息为工程师在PCB设计时提供了必要的参数，确保引脚的正确连接和电路板的合理布局。

五、总结与应用建议

XR16M890是一款功能强大、特性丰富的UART，具有高度的灵活性和实用性。在设计过程中，工程师可根据具体的应用场景选择合适的总线接口、波特率、流控制模式等。例如，在电池供电设备中，可充分利用其睡眠模式降低功耗；在高速数据传输系统中，可选择合适的采样率和波特率以提高传输效率。同时，合理使用其内部寄存器，可实现对数据传输的精确控制和监测。

然而，在使用过程中也有一些需要注意的地方。例如，在睡眠模式唤醒时，由于晶体振荡器的启动延迟，可能会丢失前几个接收字符，可通过在RX输入上使用47k欧姆上拉电阻来避免这种情况。另外，在使用红外线模式时，需要确保RX输入处于正确的空闲电平。希望各位工程师在实际应用中能充分发挥XR16M890的优势，设计出更出色的电子设备。

大家在使用XR16M890的过程中遇到过哪些问题？或者对它的某个特性有更深入的见解吗？欢迎在评论区分享交流。