【应用】国产UART扩展芯片用于多串口通信板卡实现UART串口扩展通信，最高速率达1.5Mbps

时间： 2021-01-29 来源：世强

技术问答

UART接口在通信行业是使用最多的接口之一，可以转换为RS232、RS485、RS422等工业标准与其他系统互联，实现串口的数据采集和通信。笔者所写的本项目为一块多串口通信板卡，主要需求如下：

l 内存2GB DDR3

l 存储空间16GB

l 2路1000BASE-T

l 4路UART

l 2路RS422

板卡主要功能如下图所示：

图 1 原理框图（注：T5的usb2.0达不到千兆的最高速率，这点客户清楚也并不影响项目效果，因为实际的数据传输速率并不要求达到1000M。另外RGMII接口实际的数据传输率也达不到1000M，因为CPU不是专用的交换芯片，处理不了1000M线速的以太网包）

板卡采用国产全志T5处理器为核心，需要通过连接器向外部提供2个千兆以太网和6个串口，其中UART 4个，RS422 2个。T5处理器本来集成了6个UART，但是因为其中有3个UART和其他功能冲突，所以需要进行扩展。本项目选择了成都为开微电子的WK2204，这是一款具备256级FIFO的低功耗并支持UART/SPI/IIC总线接口的4通道UART扩展芯片，可以通过模式选择使得该芯片工作于以上任何一种主接口模式，将选定的主接口扩展为4个增强功能的UART。因为WK2204的SPI接口速度更快，所以采用SPI与处理器连接来扩展4个UART。

WK2204的主要特性如下：

l 支持多种主机接口：可选择 UART，SPI，IIC

l 超大硬件收发缓存，支持256级FIFO

l 低功耗设计，可以配置自动休眠，自动唤醒模式（μS级唤醒）

l 宽工作电压设计，工作电压为2.0V～3.6V

l 精简的配置寄存器和控制字，操作简单可靠

l 工作温度为工业级-45~+85℃

l 采用高速CMOS工艺，子串口速率最高可达1.5Mbps@3.3V、1Mbps@2.5V

l 采用符合绿色环保政策的QFN24无铅封装，尺寸为4mmx4mm

WK2204的原理图如下所示。WK2204支持SPI、UART和IIC总线进行扩展，通过MD0、MD1引脚配置接口类型，这里MD0、MD1设置为00，所以接口为SPI模式。芯片需要外接一颗11.0592MHz的无源晶体作为时钟源。VCC引脚接一颗磁珠和一颗0.1μF电容对电源进行滤波，减少电源干扰。

图 2 WK2204原理图

WK2204扩展出的UART的波特率与晶体频率的对应关系如下：

这里采用11.0592MHz的晶体，最高波特率可以达到691.2K，完全可以满足需要。

WK2204的pcb图如下所示。设计时需要把L2和C8靠近WK2204的VCC引脚放置，这样可以取得最好的电源滤波效果。同时11.0592MHz的晶体也要尽量靠近芯片放，避免走线过长影响振荡频率的精度。

图 3 WK2204PCB图

进口的UART扩展器件厂家和种类不少，但是国产同类型的器件却寥寥无几。WK2204采用简洁的设计实现了四个UART口的扩展，而输入接口又具有SPI、UART和IIC的可选配置，同时体积也只有4mm x4mm大小，既解决了处理器某些应用场景中UART接口不够的问题，同时也不会占用过多的pcb空间，是个很优秀的产品。

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用户48026324 Lv7. 资深专家 2021-11-18

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