通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），通常稱作UART，是一種異步收發傳輸器，是電腦硬件的一部分。它將要傳輸的資料在串行通信與并行通信之間加以轉換。作為把并行輸入信號轉成串行輸出信號的芯片，UART通常被集成于其他通訊接口的連結上。具體實物表現為獨立的模塊化芯片，或作為集成于微處理器中的周邊設備。一般是RS-232C規格的，與類似Maxim的MAX232之類的標準信號幅度變換芯片進行搭配，作為連接外部設備的接口。

　　目前，UART（UniversalAsynchronousReceiverTransmitter，通用異步收發器）接口的使用越來越廣泛，許多設備上都提供了UART接口。工業使用的微處理器一般都只包括2個UART口。在實際工業數據發送和采集應用系統中，為了節省資源，微處理器直接通過UART口與設備進行數據交互。

　　這樣勢必會導致微處理器的UART口不夠，為了方便設備的接入，因此擴展UART口是一種理想的解決方案。同時，考慮到微處理器的SPI/I2C總線上可以連接多個總線器件，為了充分利用資源，在實際應用中可以通過SPI/I2C實施對UART接口的擴展。

　　本文提出了一種SPI擴展UART的方法，主要采用SC16IS752芯片進行UART接口擴展。SC16IS752提供了標準SPI總線接口，只需要微處理器能提供標準的SPI或模擬SPI總線接口。整個設計簡捷、經濟，具有通用性。

　　最后介紹了擴展接口在無線數據采集集中器中的應用，可方便地使用擴展出的UART口連接相應的無線通信模塊，實現數據的采集和通信。

　　SPI總線

　　串行外圍設備接口（SerialPeripheralInterface，SPI）是Motorola公司推出的一種同步串行接口，其硬件功能強大，因此與SPI有關的軟件比較簡單［2］。一般情況下，實現SPI通信需要3～4根線：同步時鐘（SCK）線，用于實現主器件和從器件在MISO和MOSI線上串行數據傳輸的同步;主輸出/從輸入（MOSI）線，用于主器件的輸出或從器件的輸入;主輸入/從輸出（MISO）線，用于主器件的輸入或從器件的輸出;片選控制（CS）線，用于從設備的選擇。SPI的工作模式有4種，本文采用了其中的一種主模式。

　　SC16IS752擴展芯片

　　SC16IS752是NXP公司推出的一款通過SPI/I2C總線擴展為UART接口的芯片［3］。擴展出雙通道高性能的UART，并且能到達5Mbps的數據率;提供8個額外的可編程的I/O腳;還可以提供數據速率高達115.2kbps的IrDA。另外，SC16IS752還具有其他高級的特性，例如自動硬件和軟件流控制、自動的RS485支持和軟件復位作為UART擴展接口芯片，SC16IS752的引腳定義并不復雜，如圖1所示。

　　XTAL1、XTAL2引腳用來連接晶振電路，CS/A0用作SPI片選或者I2C總線器件地址選擇A0;I2C/SPI為I2C總線或SPI總線接口選擇;IRQ中斷引腳。其他引腳就主要包括擴展后的2個UART及I/O。帶有SPI接口的微處理器與SC16IS752的連接十分方便;如果不帶SPI接口，則可以通過I/O口來實現模擬SPI口的功能。

　　擴展UART的設計過程及原理

　　3.1SPI—UART的工作過程

　　SPI接口協議要求接口設備按主從方式進行配置，且同一時間內總線上只能有一個主器件。主輸出/從輸入（MOSI）信號是主器件的輸出和從器件的輸入，數據傳輸時最高位在先;主輸入/從輸出（MISO）信號是從器件的輸出和主器件的輸入，數據傳輸時也是最高位在先。串行時鐘（SCLK）信號是用于同步主器件和從器件之間在MOSI和MISO線上的串行數據傳輸。在整個數據傳輸過程中，片選信號（CS）應該處于低電平狀態。在擴展方案中，微處理器作為主器件，SC16IS752作為從器件。因此，在設置SPI控制器時，應該設置SPI為從機。具體工作時序如圖2和圖3所示。

　　3.2 軟件設計

　　軟件設計的依據：一是硬件系統連接關系;二是SPI的工作時序;三是SC16IS752的工作方式。程序主要包括對SPI接口和SC16IS752的初始化、數據的發送和接收。SPI接口的初始化。如果處理器提供標準的SPI口，那么只需要選擇SPI引腳功能，然后設置輸入/輸出;如果處理器不帶標準的SPI口，可以通過普通的I/O口來模擬SPI接口，完成引腳的設置后，還需要對SPI的模式、時鐘頻率進行設置。SC16IS752的初始化。通過SC16IS752轉換為串口輸出，所以必須考慮到串口的波特率、數據位、停止位、校驗位等的設置。同時，在實驗過程中，采用接收中斷，這些也是在初始化SC16IS752時要考慮的。波特率的計算公式如下

　　在下面的程序中，給出了對SC16IS752擴展出的A通道的初始化。

　　數據的發送。SC16IS752發送器部分由一個發送保存寄存器（THR）和發送移位寄存器（TSR）組成。THR實際是一個64字節FIFO。THR接收數據并將其移入TSR，然后在TSR中將其轉化為串行數據并在TX端移出。處理器將數據通過SPI總線送入SC16IS752的發送寄存器中，等待數據被取走。

　　數據的接收。SC16IS752接收器由一個接收保存寄存器（RHR）和接收移位寄存器（RSR）組成。RHR實際上是一個64字節FIFO。RSR接收RXD端的串行數據，然后將數據轉化為并行數據轉移到RHR。

　　一般的情況下，為了系統設計的方便，可以選擇SC16IS752的數據發送所采用的查詢方式;而接收數據是通過芯片的IRQ引腳觸發處理器的外部中斷，產生中斷信號，通知處理器接收和處理數據。其工作程序流程如圖4所示。

　　擴展UART接口實例

　　采用SPI擴展出的UART可滿足標準串行端口UART的要求，而且操作簡單。設置串口的波特率、數據位、停止位和校驗位，數據的發送與接收都可由用戶自行定義。筆者在無線數據采集集中器系統中，對擴展UART的可行性和實用性進行了論證。下面以無線數據采集集中器為例，說明SC16IS752的實際應用。

　　4.1 可行性

　　在設計無線數據采集集中器過程中，選用了NXP公司的LPC2148作為集中器的處理器［4］。LPC2148自帶2個UART口，而無線數據采集集中器需要4個UART，分別為RS232數據傳輸、紅外數據傳輸、接收數據UART和無線通信UART口。很明顯，需要擴展UART口才能滿足要求。微處理器LPC2148有標準的SPI/I2C總線，因此筆者就選擇了SC16IS752作為UART的擴展芯片。

　　SC16IS752具有16C450可兼容的寄存器集，擴展出的UART引腳分別為TX、RX、RTS和CTS。這些都和標準的UART［5］一樣，只是初始化的設置不同。初始化完成后，具體操作函數和標準的UART接口操作類似。只是芯片在讀取和發送數據時，與微處理器的數據交互是通過SPI總線進行的。

　　4.2 應用設計

　　集中器系統具體設計硬件連接圖如圖5所示。SC16IS752的IRQ直接與LPC2148的外部中斷EINT1連接。擴展的UART接收到數據后，就會通過IRQ產生一個低電平觸發外部中斷，而在處理器的外部中斷服務程序中處理接收到的數據。在實際集中器測試中，擴展出的UART口與標準的UART具有同樣功效。芯片的晶振頻率采用1.8432MHz，與晶振連接的是22pF的電容，芯片需要采用3.3V電源供電。與CPU連接的引腳共有6個，功能如表1所列。其中，SPI配置必需的引腳是MO2SI、MISO、SCK。因為選用芯片的功能是SPI轉UART，所以直接把I2C/SPI引腳接地。

　　總結

　　UART廣泛用于Modem、手持工業設備、條形閱讀器、測試設備、消費產品與PC機之間，以及小型網絡之間的通信。本文結合微處理器的SPI或I2C接口功能，設計了一種擴展UART接口;微處理器沒有標準的SPI或I2C接口時，也可通過普通的I/O來模擬SPI/I2C總線。

　　擴展出的UART應用于實際無線數據采集系統，實驗結果表明，完全能夠達到標準UART接口的要求。處理器的UART口不夠用時，也可通過此方案達到設計的要求。