通用異步串口擴(kuò)展芯片GM8123/25的原理和應(yīng)用

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摘 要 本文介紹了一種新器件GM8123/25串口擴(kuò)展芯片，利用該系列芯片實(shí)現(xiàn)的串口擴(kuò)展方案具有成本低、速度快、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制等需要串口通訊的場(chǎng)合。

關(guān)鍵詞 GM8123 GM8125 串口擴(kuò)展

一．同類方案比較

目前比較通用的串口擴(kuò)展方案有兩種，一是用硬件實(shí)現(xiàn)，使用多串口單片機(jī)或?qū)Ｓ么跀U(kuò)展芯片，可供選擇的串口擴(kuò)展芯片有TI等公司開發(fā)的16C554系列串口擴(kuò)展芯片，該系列芯片實(shí)現(xiàn)的功能是通過并行口擴(kuò)展串行口，功能比較強(qiáng)大、通訊速度高，但控制復(fù)雜，同時(shí)價(jià)格較高，主要的應(yīng)用場(chǎng)合是PC機(jī)串口擴(kuò)展產(chǎn)品。在僅使用單片機(jī)控制且不需要太高波特率通訊的系統(tǒng)中，使用16C554系列芯片不僅成本高而且還造成了資源的浪費(fèi)。而多串口單片機(jī)也同樣存在價(jià)格高的缺點(diǎn)。另一種串口擴(kuò)展方案就是用軟件實(shí)現(xiàn)，軟件模擬串口存在的缺點(diǎn)有：一是采樣次數(shù)低，一般只能做到2次/BIT，這樣數(shù)據(jù)的正確性就難以保證；二是不能實(shí)現(xiàn)高波特率通訊，軟件模擬串口一般不能實(shí)現(xiàn)高于4800 bps的波特率。

成都國(guó)騰微電子有限公司推出的GM8123/25系列串口擴(kuò)展芯片全硬件實(shí)現(xiàn)串口擴(kuò)展，保證了芯片工作的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)的最高波特率完全能滿足一般系統(tǒng)需求，同時(shí)占用系統(tǒng)資源少，使用方法簡(jiǎn)單，通訊格式可設(shè)置，與標(biāo)準(zhǔn)串口通訊格式兼容，利用該系列芯片實(shí)現(xiàn)串口擴(kuò)展是性價(jià)比較高的串口擴(kuò)展方案。

二．GM8123/25介紹

2.1 產(chǎn)品特點(diǎn)

采用寫控制字的方式對(duì)芯片進(jìn)行控制
兩種工作模式，用戶可根據(jù)自己的系統(tǒng)需求靈活選擇
各子串口波特率可調(diào)（統(tǒng)一調(diào)節(jié)）
數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)10位或11位可選
子串口數(shù)：3個(gè)（GM8123）或5個(gè)（GM8125）
數(shù)據(jù)采樣率 16次/BIT，確保數(shù)據(jù)采樣的準(zhǔn)確可靠
單通道模式下，最高波特率支持20Mbps；多通道模式下，子串口最高波特率38400bps
與標(biāo)準(zhǔn)串口通訊格式兼容
輸出波特率誤差小于0.2%，輸入波特率誤差要求小于2.8%
寬工作電壓：2.3~6.7V
工作溫度范圍：-40℃~85℃
工作穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，符合工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 功能描述

GM8123可擴(kuò)展3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串口，GM8125可擴(kuò)展5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串口，芯片可以通過軟件設(shè)置工作波特率和數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)。芯片通過外部引腳選擇串口擴(kuò)展模式：?jiǎn)瓮ǖ拦ぷ髂Ｊ胶投嗤ǖ拦ぷ髂Ｊ?。單通道模式下，子串口最高波特率支?0Mbps；多通道模式下，子串口最高波特率支持38400bps。

單通道模式下，無需設(shè)置芯片的通訊格式，子串口和母串口以相同的波特率工作，一個(gè)時(shí)刻只允許一組子串口和母串口通訊，工作子串口由地址線選擇。單通道工作模式適用于所有從機(jī)不需要同時(shí)通訊并且通訊過程完全由主機(jī)控制的系統(tǒng)。

多通道模式下，允許所有子串口同時(shí)與母串口通訊，母串口以子串口波特率的4倍（GM8123）/6倍（GM8125）工作，發(fā)送時(shí)由地址線選擇發(fā)送數(shù)據(jù)的子串口，接收時(shí)子串口能主動(dòng)響應(yīng)從機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，由母串口發(fā)送給主機(jī)，同時(shí)由地址線返回接收到數(shù)據(jù)的子串口地址，主機(jī)在接收到子串口送來的數(shù)據(jù)后可以根據(jù)地址線的狀態(tài)判斷數(shù)據(jù)是從哪一個(gè)從機(jī)送來的。多通道模式使每個(gè)從機(jī)的發(fā)送要求都能被及時(shí)地響應(yīng)，即使所有從機(jī)同時(shí)有發(fā)送要求，數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失，基本實(shí)現(xiàn)了主控單元和外設(shè)通訊的實(shí)時(shí)性。多通道模式適用于從機(jī)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間不可控并且有實(shí)時(shí)性要求的多機(jī)通訊系統(tǒng)。（詳細(xì)情況查看成都國(guó)騰微電子有限公司發(fā)布的GM8123/25數(shù)據(jù)手冊(cè)）

2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為GM8123/25的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖：

三．應(yīng)用說明

以以下一個(gè)系統(tǒng)為例，用GM8125說明該系列芯片實(shí)現(xiàn)串口擴(kuò)展的方法：一個(gè)系統(tǒng)中有5個(gè)從機(jī)需要與主機(jī)進(jìn)行串行通訊，5個(gè)從機(jī)通訊波特率均為19200bps,主機(jī)首先向所有從機(jī)發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)作為對(duì)從機(jī)的控制命令，從機(jī)收到數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理后立即向主機(jī)返回相關(guān)數(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)要求看出，從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間根據(jù)其處理時(shí)間而定，不受主機(jī)控制，所以GM8125要工作在多通道模式下，即允許所有子串口同時(shí)工作。圖2是單片機(jī)與GM8125的接口框圖，該系統(tǒng)利用GM8125為主機(jī)89C51擴(kuò)展出5個(gè)串口。

圖2 GM8125與單片機(jī)的硬件接口框圖

GM8125引腳說明：

RST：復(fù)位引腳，低電平有效。復(fù)位后默認(rèn)子串口工作波特率為1200bps，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為11位（帶校驗(yàn)位）；
MS：模式選擇引腳，控制芯片工作在多通道模式下還是單通道模式下。多通道模式下兼做讀/寫命令字選擇引腳；
SRADD0～2：接收子串口地址線；
STADD0～2：發(fā)送子串口地址線；
RXD0、TXD0：母串口收/發(fā)引腳；
RXD1～5、TXD1～5：子串口1～5收/發(fā)引腳；

下面給出主機(jī)發(fā)送和接收的控制程序，以C51為例：

#include reg51.h>
sbit MS=P3^6; //GM8125工作模式控制
sbit RESET=P3^7; //GM8125復(fù)位引腳控制
unsigned char SendBuff[5]={0xaa,0x45,0x67,0xbc,0xc9};
unsigned char ReceiveBuff0;
。。。。。。
unsigned char Contr_data;
unsigned char ADD;
unsigned char i=0;
。。。。。。

void main(void)
{
TMOD = 0x20; //指定定時(shí)器1工作在方式2
IE = 0x90; //開串行口中斷
SCON=0xc0; //串行口工作在方式3
TH1 = 0xf8; //裝入定時(shí)器1初值,設(shè)置主機(jī)工作波特率為7200bps
TL1 = 0xf8;
PCON=0x00;
。。。。。。
RESET=0; //對(duì)GM8125進(jìn)行復(fù)位操作
Delay(); //延時(shí)子程序
RESET=1;
Delay();

Contr_data=0xfc; //裝入命令字初值
TR1=1; //啟動(dòng)定時(shí)器1
MS=0; //GM8125工作在寫命令字模式下
P0=0x00; //置GM8125命令字地址
SBUF=Contr_data; //設(shè)置GM8125子串口波特率為19200bps，母串口波特率為115200bps
while(TI==0);
TI=0;
Delay();
（可讀取命令字的內(nèi)容驗(yàn)證寫入結(jié)果是否正確）

TR1=0; //定時(shí)器1停止
TH1 = 0xff; //裝入定時(shí)器1初值,設(shè)置主控MCU工作波特率為115200bps
TL1 = 0xff;
PCON=0x80;
TR1=1; //啟動(dòng)定時(shí)器1

/*主控MCU發(fā)送/接收程序*/
ADD=0x1f; //子通道1發(fā)送地址
P1=ADD; //選擇GM8125子通道1發(fā)送
SBUF=SendBuff[i];
while(TI==0);
TI=0;
i++;

（以此方式分別向5個(gè)子串口發(fā)送數(shù)據(jù)）

REN = 1;
（等待接收處理）
}

void CommReceive(void) interrupt 4
{
if(RI)
{
switch(P10x07) //判斷SRADD0～2的狀態(tài)確定接收數(shù)據(jù)來自哪一個(gè)子串口
{
case 0:
{ReceiveBuff0=SBUF; //讀命令字存入ReceiveBuff0
}
break;
case 1:
{ReceiveBuff1=SBUF; //子通道1接收的數(shù)據(jù)存入ReceiveBuff1
}
break;
。。。。。。
default:
break;
}
RI = 0;
}
}

該芯片的單通道模式適用于各從機(jī)不需要同時(shí)工作的系統(tǒng)，具體應(yīng)用方法在此不做詳述，請(qǐng)參考國(guó)騰微電子有限公司發(fā)布的《GM812X應(yīng)用手冊(cè)》。

四．結(jié)束語

利用GM8123/25進(jìn)行串口擴(kuò)展，有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、控制簡(jiǎn)單。該芯片利用軟件設(shè)置工作方式，最大限度地減少控制線，不需要占用太多主機(jī)的系統(tǒng)資源，同時(shí)又保證使用的簡(jiǎn)便性。

2、應(yīng)用靈活。該芯片具備兩種工作模式、多種工作波特率、10位或11位數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)可選，用戶可根據(jù)自己的系統(tǒng)需求靈活選擇。

3、通用性強(qiáng)。該芯片設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮各種用戶的需求，保證了芯片的通用性，與標(biāo)準(zhǔn)串口通訊格式完全兼容，同時(shí)提供多種可選設(shè)置，適用于大多數(shù)串口通訊系統(tǒng)。

4、工作波特率高。該芯片子串口在單通道模式下波特率支持20Mbps，多通道模式下支持38400bps，此波特率完全能滿足一般的串口通訊的需求。

5、性能穩(wěn)定。硬件實(shí)現(xiàn)串口比軟件實(shí)現(xiàn)串口更能保證串行通訊的穩(wěn)定性，同時(shí)每bit采樣16次，保證了數(shù)據(jù)的正確性。

6、波特率誤差小。輸出波特率誤差小于0.2%，輸入波特率誤差要求小于2.8%。

該芯片不足之處在于：不滿足超低功耗應(yīng)用要求；多通道模式下，所有子串口工作波特率只能設(shè)置成統(tǒng)一值，不適用于各從機(jī)工作波特率不一致、又要求同時(shí)工作的系統(tǒng)。