Dieser Artikel stellt die Funktionsprinzipien der neuen VK32-Serie universeller asynchroner serieller Transceiver (UART) mit Multibus-Schnittstelle vor, die speziell für eingebettete Systeme entwickelt wurden, sowie deren Anwendungstechnologien in Kassensystemen zur Steuerkontrolle, automatischen Fernablesesystemen für Zähler, eingebetteten Fahrzeuginformationsplattformen und seriellen Servern. UART entstand in den 1970er-Jahren und war der erste großflächige integrierte Schaltkreis. Der 1981 eingeführte IBM PC nutzte den 8250 UART für die Datenkommunikation mit Peripheriegeräten, und bis zum Ende des letzten Jahrhunderts blieb UART die primäre serielle Kommunikationsschnittstelle in PCs. Mit dem Aufkommen des Hochgeschwindigkeits-Seriellbusses USB löste USB aufgrund seiner zahlreichen Vorteile UART als am weitesten verbreitete serielle Schnittstelle in PCs ab. Im Bereich eingebetteter Systeme gilt UART aufgrund seiner einfachen Bedienung, Zuverlässigkeit, hohen Störfestigkeit und großen Übertragungsreichweite (über 1200 Meter in einem 485-Netzwerk) allgemein als die beste Methode zur Datenübertragung von der CPU oder dem Mikrocontroller an andere Systemkomponenten. Daher findet UART breite Anwendung in eingebetteten Systemen wie Industrie, Kommunikation und Hausgerätesteuerung. Mikrocontroller (MCUs) und CPUs verfügen typischerweise über eine integrierte UART-Schnittstelle. In der Praxis ist diese jedoch oft nicht ausreichend, sodass eine UART-Erweiterung erforderlich ist. Weltweit sind derzeit über 40 UART-Bausteine ​​verfügbar. Die meisten basieren auf der Konvertierung von Computerbussen zu UART-Schnittstellen. Ihre Vielseitigkeit, Pinbelegung und Register haben sich seit 20 Jahren kaum verändert. Für eingebettete Anwendungen weisen aktuelle UART-Bausteine ​​Nachteile wie komplexe Bedienung, zahlreiche Pins und hohe Kosten auf und erfüllen somit nicht die Anforderungen eingebetteter Systeme. Vikken hat die VK32xx-Serie neuer Multi-Bus-UART- Bausteine ​​entwickelt und auf den Markt gebracht, um den Entwicklungstrends von UART in eingebetteten Systemen gerecht zu werden. Zu ihren Merkmalen gehören: 1. Unterstützung mehrerer Host-Bus-Schnittstellen wie 8-Bit-Parallelbus, SPI-Bus und UART. Das 8-Bit-Parallelbus-Interface kann die weit verbreitete UART-Serie 16C55x zur Erweiterung der seriellen UART-Schnittstelle von 8-, 16- und 32-Bit-Mikrocontrollern ersetzen. Die 8-Bit-Parallelbus-Interface-UART-Produkte der VK32-Serie zeichnen sich durch ein vereinfachtes Steuerregisterdesign und eine reduzierte Anzahl an Chip-Pins durch Pin-Multiplexing aus. Das vereinfachte Software- und PCB-Design eignet sich besonders für die Anforderungen eingebetteter Systeme. Die SPI-Interface-Bus-Serie erweitert synchrone SPI-Schnittstellen zu asynchronen UART-Schnittstellen für DSPs und Mikrocontroller mit SPI-Schnittstellen. Dies ist besonders vorteilhaft für weit verbreitete DSP-Systeme, die meist nur über synchrone serielle Schnittstellen verfügen und somit die Kommunikation mit Peripheriegeräten mit synchronen Schnittstellen einschränken. Die SPI-Bus-Interface-Produkte der VK32-Serie können eine einzelne synchrone SPI-Schnittstelle in ein bis vier universelle asynchrone serielle Schnittstellen erweitern und so die asynchrone serielle Kommunikation zwischen DSP und Peripheriegeräten ermöglichen. Die UART-Schnittstellenprodukte erweitern eine Standard-3-Draht-UART-Schnittstelle innovativ auf 2 bis 4 erweiterte UARTs. Die im Chip integrierte Logik zur Verarbeitung des UART-Erweiterungsprotokolls ermöglicht mehrere unabhängig konfigurierbare Vollduplex-Seriellport-Erweiterungen ohne zusätzliche Adress- und Steuersignalleitungen und bietet somit eine einfache Lösung für eingebettete Systeme, die eine serielle Port-Erweiterung benötigen. 2. Unterstützt Hochgeschwindigkeitsübertragung. Jede Sub-Baudrate kann unabhängig eingestellt werden, mit einer maximalen Kommunikationsgeschwindigkeit von 920 kbit/s (5 V Betriebsspannung). Der Host unterstützt eine maximale SPI-Bus-Übertragungsrate von 4 Mbit/s und eine 8-Bit-Parallelbus-Übertragungsrate von 10 Mbit/s. 3. Breiter Betriebsspannungsbereich und geringer Stromverbrauch. Da die meisten neuen DSPs/FPGAs im Embedded-Bereich derzeit mit 2,5 V betrieben werden, während viele MCUs in der industriellen Steuerung weiterhin 5 V benötigen, ist die UART-Serie VK32 für einen Betriebsspannungsbereich von 2,5 V bis 5,5 V ausgelegt. Gleichzeitig kann diese Chipserie im automatischen Schlaf- und Aufwachmodus arbeiten und so den Stromverbrauch effektiv reduzieren. 4. Umfassende FIFO-Funktion: Jeder Kanal verfügt über unabhängige 16-stufige Sende- und Empfangs-FIFOs mit jeweils vier programmierbaren Triggerpunkten. Diese umfassende FIFO-Funktion puffert Sende- und Empfangsdaten, reduziert die Datenübertragungsoperationen von DSP/CPU und verbessert deren Effizienz und Datenübertragungssicherheit. 5. Die Subserial-Ports bieten eine automatische Flusssteuerung per Software oder Hardware, um den Anforderungen der Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung gerecht zu werden. 6. Die Subserial-Ports verfügen über programmierbare Hardware-RS-485-Steuerungsfunktionen und eine automatische 9-Bit-Netzwerkadresserkennung. Dies entlastet den Prozessor erheblich und eignet sich besonders für industrielle RS-485-Netzwerke. 7. Jeder Kanal verfügt über eine unabhängig steuerbare Datenempfangsfunktion und ist somit für eingebettete Systeme geeignet, die Datenübertragung und -steuerung benötigen. 8. Alle UARTs (einschließlich der Master-UART und der Subkanal-UARTs) unterstützen IrDA-Infrarotkommunikation. Der VK3200 ist das funktionsreichste Modell der VK32- Serie . Dieser Artikel erläutert die Funktionsweise der UART-Chips der VK32-Serie anhand des Schaltplans des VK3200. Der VK3200 verfügt über eine Host-Schnittstelle, einen Subkanalbereich, eine Modem-Steuerlogik und eine Interrupt-Steuerlogik. Die Host-Schnittstelle verbindet den VK3200 mit der CPU/dem DSP. Über die Modusauswahlsignale M1 und MO kann zwischen drei Schnittstellen gewählt werden: 8-Bit-Parallelbus, SPI-Bus oder UART. Die Modem-Steuerlogik überwacht und steuert die Statussignale, sobald das Modem angeschlossen ist. Die Interrupt-Steuerlogik generiert und steuert verschiedene interne Interrupts. Der Taktgenerator liefert den Takt für den Chip; über den CLKSEL-Pin kann ausgewählt werden, ob der Takt von einem Quarzoszillator oder einer externen Taktquelle bezogen werden soll. Die Subkanallogik ist für den Datenempfang und die Datenübertragung der einzelnen Komponenten zuständig. Der Datenübertragungsprozess läuft wie folgt ab: Die Host-Schnittstelle verarbeitet die vom Hauptbus gesendeten Daten und überträgt sie an den entsprechenden Subkanal-FIFO. Nachdem die Daten im FIFO die Flusssteuerungslogik durchlaufen haben, werden sie unter Steuerung des Baudratengenerators sequenziell über das Sende-Schieberegister an die serielle TX-Ausgangssignalleitung gesendet. Der Empfangsprozess verläuft genau umgekehrt. Im Subkanal-Verarbeitungsmodul werden die Subkanäle über Steuerregister konfiguriert, der IR-Codec dient der Codierung und Decodierung des Infrarotsignals, und der Subkanal-Flusscontroller steuert den Datenfluss während der Übertragung. Anwendungen in eingebetteten Systemen : Die Anwendungsbereiche der UART-Geräte der VK-Serie in eingebetteten Produkten umfassen: Server/Karten mit mehreren seriellen Schnittstellen, RS-485-Steuerung für Industrie und Automatisierung, drahtlose Datenübertragung mittels CDMA/GPRS-Modem, Fahrzeuginformationssysteme/GPS-Ortungssysteme für Fahrzeuge, Systeme zur automatischen Zählerfernauslesung (AMR), Kassenterminals für die Steuerkontrolle/Bankterminals und andere Finanzgeräte, DSP-Datenerfassungs- und -übertragungssysteme usw. Anwendungsbeispiele: 1. Anwendung in Kassenterminals für die Steuerkontrolle: Kassenterminals für die Steuerkontrolle sind komplexe eingebettete Systeme, die eine Vielzahl von Peripheriegeräten steuern müssen. Die grundlegende Konfiguration umfasst einen seriellen Drucker, ein Modem, eine RS-485-Netzwerkschnittstelle und eine Steuerkontroll-IC-Karte (asynchrone Karte), die alle über serielle UART-Kommunikation kommunizieren. Zahlreiche Peripheriegeräte wie Tastaturen, Barcode-Scanner, Barcode-Waagen, kontaktbehaftete/kontaktlose IC-Kartenleser, Magnetkartenleser und serielle Displays werden über RS-232-Schnittstellen an das Kassenterminal angeschlossen. Die Verwendung von UART-Bausteinen der VK32xx-Serie ermöglicht eine flexible Erweiterung der seriellen UART-Schnittstelle durch Auswahl von SPI, 8-Bit-Parallelbus oder UART basierend auf den Schnittstelleneigenschaften von Mikrocontroller und CPU. Im Vergleich zur aktuellen Lösung mit GPIO zur Simulation serieller Schnittstellen benötigt dieser Ansatz deutlich weniger CPU-E/A und Ressourcen und ist selbst mit herkömmlichen 8-Bit-Mikrocontrollern realisierbar. Darüber hinaus handelt es sich bei den erweiterten seriellen Sub-Ports um standardmäßige Hardware-UARTs, was die Datenübertragung zuverlässiger macht. 2. Anwendung in Systemen zur automatischen Fernablesung von Zählern: Wie in Abbildung 3 dargestellt, besteht das System zur automatischen Fernablesung von Zählern aus entfernten Zählern, einem zentralen Zählerableser und einem Modem. Im Zählerableser wird der Dual-Serial-Port-Erweiterungs-IC VK3212 verwendet, um eine UART des Mikrocontrollers in zwei UARTs zu erweitern. Die beiden erweiterten seriellen Schnittstellen, UART1 und UART2, sind mit der RS-485/M-BUS-Schnittstelle bzw. der Infrarotschnittstelle verbunden. UART1 des VK3212 ist für RS-485-Auto-Transmit und RS-485-Netzwerkmodus konfiguriert und ermöglicht so die automatische Datenübertragung und den Empfang von RS-485/M-BUS-Daten sowie die automatische Netzwerkadressidentifizierung ohne MCU-Steuerung. UART2 des VK3212 ist für den Infrarotmodus konfiguriert und dient der Verbindung zum Infrarot-Einstellfenster des Fernzählerlesers. Im zentralen Zählerleser wird ein VK3234, ein 4-Kanal-UART-Baustein mit SPI-Schnittstelle, zur Erweiterung von vier seriellen Subkanälen verwendet. Die MCU ist über den SPI-Bus mit dem VK3234 verbunden. Der serielle Subkanal-UART des VK3234 ist auf automatischen RS-485-Transceiver-Modus eingestellt. Jeder Subkanal-UART-gesteuerte RS-485/MBUS-Transceiver verbindet sich über einen RS-485/MBUS-Bus mit bis zu 250 Fernzählern. Ein zentraler Zählerleser auf Basis des VK3234 kann Daten von bis zu 1.000 entfernten Zählern erfassen. Da die serielle Schnittstelle über eine SPI-Schnittstelle erweitert wird, kann der Mikrocontroller des zentralen Zählerlesers die serielle Schnittstelle mit einem PSTN/GSM-Modem verbinden, um die erfassten Daten an einen entfernten Server zu übertragen. 3. Anwendung in eingebetteten Fahrzeuginformationsplattformen: Die Hauptschnittstelle des VK3233 bietet sowohl SPI- als auch UART-Optionen. Der DSP/CPU der eingebetteten Plattform ist über die SPI/UART-Schnittstelle mit dem VK3233 verbunden. Die drei erweiterten seriellen Subports des VK3233 sind jeweils mit dem GPS-Modul, dem Rückfahrradar-Modul und dem GSM/CDMA-Modul verbunden. Die Modem-Steuerleitung ist mit dem GSM/CDMA-Modem verbunden. Das gesamte eingebettete System nutzt ein einziges Anzeigegerät, wodurch der im Fahrzeug begrenzte Platz gespart wird. 4. Anwendungen in seriellen Servern: In der industriellen Steuerung und anderen Bereichen verwenden viele Geräte nach wie vor langsame serielle Schnittstellen für die externe Kommunikation. Serielle Server speichern und konvertieren Daten von mehreren seriellen Geräten, bevor sie diese über ein IP-Netzwerk übertragen. Abbildung 5 zeigt das Schaltbild eines Servers mit acht seriellen Ports (vier RS-232-Ports, vier RS-485-Ports). Die parallelen Bit-Datenleitungen des DSP/CPU im eingebetteten System sind mit zwei VK3266-Chips verbunden und erweitern diese auf acht serielle Ports. Die Chipauswahl erfolgt durch Ansteuerung der CS-Schnittstellen der beiden VK3266-Chips über einen Adressdecoder. Im Schaltbild ist VK3266A mit vier RS-232-Transceivern verbunden und erweitert diese zu vier seriellen RS-232-Ports mit Hardware-Flusssteuerungssignalen; VK3266B ist mit vier RS-485-Transceivern verbunden. Im automatischen RS-485-Sende-/Empfangsmodus des VK3266 steuert das RTS-Signal die Datenübertragungs- (DE) und Datenlese- (RD) Signale der RS-485-Transceiver und aktiviert so die automatische RS-485-Sende-/Empfangssteuerung. Auswahlhilfe und Designempfehlungen 1. Auswahlhilfe Die VK32-Serie umfasst fünf UART-Serien mit folgenden Eigenschaften: Die VK321x-Serie nutzt UART als Hauptschnittstelle und verbindet sich über drei Signalleitungen (RX, TX und GND) mit dem Host. Durch ihr internes Verarbeitungsprotokoll erweitert sie einen seriellen Port mittels Zeitmultiplexverfahren auf zwei bis vier simultane Vollduplex-Ports. In diesem Modus steuert der Mikrocontroller (MCU) das UART-Gerät per Polling. Wichtig beim Design: Um die simultane Vollduplex-Kommunikation aller Subkanäle im Zeitmultiplexverfahren zu gewährleisten, muss die Baudrate der Hauptschnittstelle höher sein als die Summe der Baudraten aller Subkanäle. Die VK321x-Serie eignet sich für eingebettete Systeme mit geringen Anforderungen an die Kommunikationsgeschwindigkeit und einem zuverlässigen und einfachen Design. Die VK322x-Serie verwendet einen SPI-Bus als Hauptschnittstelle mit einer maximalen Übertragungsgeschwindigkeit von 4 Mbit/s. Es eignet sich zur Erweiterung asynchroner serieller Schnittstellen auf MCUs/DSPs mit SPI-Schnittstellen. Die meisten DSPs verfügen nur über synchrone serielle Schnittstellen. Asynchrone serielle Schnittstellen können über die SPI-Schnittstelle überbrückt und erweitert werden, wodurch die Hardwareanforderungen für die Erweiterung serieller Schnittstellen über Parallelbusse vereinfacht und der Softwareaufwand für die Simulation asynchroner serieller Schnittstellen reduziert wird. Die VK323x-Serie bietet sowohl SPI als auch UART als wählbare Master-Schnittstellen. Die erweiterten Sub-Seriell-Schnittstellen verfügen über Hardware-Flusssteuerung und automatische RS-485-Transceiver-Funktionalität und eignen sich daher besonders für RS-485-Bus-Anwendungen, die eine hochzuverlässige Datenübertragung erfordern. Der VK325x ist ein 8-Bit-UART-Baustein mit Parallelbus-Schnittstelle, während der VK326x ein UART-Baustein mit drei wählbaren Master-Schnittstellen ist. Diese Bausteine ​​eignen sich für Anwendungen, die einen geringen Lagerbestand und die Übertragung großer Datenmengen erfordern. 2. Designempfehlungen für die Schnittstelle asynchroner IC-Karten. Asynchrone IC-Karten gemäß 7816-3 verwenden eine Halbduplex-Schnittstelle für die asynchrone Kommunikation. In praktischen Anwendungen können die RX- und TX-Pins des Subserial-Ports kurzgeschlossen und direkt mit den I/O-Signalen der IC-Karte verbunden werden. Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit kann auch ein 7407 zur Ansteuerung der I/O-Signale der IC-Karte verwendet werden. Modem-Schnittstellendesign: Aktuelle PSTN/GPRS/CDMA/GSM-Modems unterstützen serielle Dreidraht-Schnittstellen (TX, RX, GND) für die Ansteuerung über AT-Befehle. In der Praxis ist die Verwendung einer solchen Schnittstelle jedoch anfällig für Paketverluste, was zu erneuter Datenübertragung und verringerten Upload-Geschwindigkeiten führt. Es wird empfohlen, ein UART-Gerät mit Modem-Schnittstelle der VK32-Serie zu verwenden und DSR, DTR, RI und DCD zur Überwachung des Modemstatus sowie RTS und CTS zur Flusssteuerung zu nutzen, um so maximale Geschwindigkeit zu erreichen. RS-485-Busdesign: RS-485 ist derzeit das am weitesten verbreitete Halbduplex-Kommunikationssystem im industriellen Bereich. Die direkte Ansteuerung des RX485 mit einem Mikrocontroller (MCU) birgt mehrere Herausforderungen: Die Ansteuerung des RX485-Transceivers über die I/O-Schnittstellen des MCU kann beim Systemreset zu Problemen führen, da die I/O-Schnittstellen den RX485-Transceiver möglicherweise im Sendemodus belassen und so die laufende Kommunikation unterbrechen. Beim Umschalten zwischen Datenübertragung und -empfang werden die I/O-Schnittstellen des MCU typischerweise durch den Zustand des Sendepuffers gesteuert. Das letzte Byte kann sich jedoch noch im Schieberegister befinden, was zu einem fehlenden Byte führt. Darüber hinaus muss der MCU bei der Übertragung großer Datenmengen über den RS485-Bus erhebliche Ressourcen aufwenden, um zu ermitteln, ob die Daten für den lokalen Rechner bestimmt sind, was die Effizienz mindert. Um diese Probleme zu beheben, wird empfohlen, Geräte mit automatischer RS-485-Sende-/Empfangssteuerung und 9-Bit-Netzwerk-Autoidentifikation zu wählen, wenn RS-485 benötigt wird. Die UART-Geräte der VK32-Serie können im automatischen RS-485-Modus betrieben werden: Nach dem Reset befindet sich der RTS im Empfangsmodus. Das Gerät arbeitet ausschließlich im Sendemodus während der Datenübertragung und schaltet automatisch in den Empfangsmodus, sobald das letzte Datenbit vom Schieberegister gesendet wurde. Die UART-Schnittstelle der VK32-Serie unterstützt zudem die automatische Erkennung von 9-Bit-Netzwerkadressen. Ein Interrupt wird nur dann ausgelöst, wenn die Adresse auf dem RS-485-Bus mit der von der UART-Schnittstelle festgelegten RS-485-Netzwerkadresse übereinstimmt. Dadurch wird der Mikrocontroller von der Verarbeitung großer Mengen irrelevanter Daten entlastet, was die Systemverarbeitungskapazität erhöht. Bleifreie Gehäuse sind ein unaufhaltsamer Trend in der Halbleiterindustrie, und alle UART-Produkte der VK32-Serie sind bleifrei. Beim Reflow-Löten ist darauf zu achten, dass die Löttemperatur den entsprechenden Anforderungen entspricht. (Quelle: EE Times China)