新型通用異步收發(fā)器MAX3100在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用

在MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，串行數(shù)據(jù)通信通常采用同步/異步接收發(fā)送器8251，但因8251的通信波特率不高，且芯片不能應(yīng)用于晶振較高的系統(tǒng)，這就使得要求高運(yùn)行速度、高速收發(fā)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)無(wú)法應(yīng)用8251芯片收發(fā)數(shù)據(jù)，MAXIM公司推出的新型UART芯片MAX3100正好填補(bǔ)了這個(gè)空白。MAX3100具有以下幾個(gè)鮮明的特點(diǎn)：
　l 支持高速通信，最高通信波特率可達(dá)230KBPS；
　2 能工作在較高頻率的系統(tǒng)中，如可用在晶振為40MHZ的系統(tǒng)中；
　3 支持低電壓，低功耗；
　4 體積小，可節(jié)省印制版空間；
　5 支持紅外通信。

一、引腳功能 
　　MAX3100有DIP和QSOP兩種封裝形式，以DIP封裝為例，它的引腳排列如圖1所示，各引腳的功能簡(jiǎn)述如下：
　　1） DIN：串行數(shù)據(jù)輸入端。串行時(shí)鐘的上升沿鎖存DIN數(shù)據(jù)。
　　2） DOUT：串行數(shù)據(jù)輸出端。數(shù)據(jù)由串行時(shí)鐘的下降沿同步輸出，當(dāng) CS為高時(shí)為高阻態(tài)。
　　3） SCLK：串行時(shí)鐘輸入端。
　　4） CS：片選控制。 IRQ、 RTS、TX的輸出不受 CS的控制。
　　5） IRQ:中斷請(qǐng)求信號(hào)。低電平有效。
　　6） SHDN：待機(jī)模式的硬件控制端。 SHDN =0，進(jìn)入待機(jī)模式，片內(nèi)振蕩器立即停振。
　　7） X1和X2：晶振引腳。
　　8） CTS：輸入端。低電平有效，用于RS-232作允許發(fā)輸入端。
　　9） RTS ：輸出端。低電平有效，用于RS-232作請(qǐng)求發(fā)送輸出端或RS-485驅(qū)動(dòng)器使能端。
　　10） RX：接收輸入端
　　11）TX：發(fā)送輸出端

二、 讀寫控制指令及時(shí)序

1. 寫控制字
　　寫控制字各位含義如表1所示?？刂谱謱懭牒髮⑶宄?/span>FIFO寄存器以及R、T、RA/FE、D0r_~ D7r、D0t_~D7t、Pt、Pt等寄存器，而 CTS 和 RTS 保持不變。屏蔽位 TM、RM、PM和RAM在SCLK的第16個(gè)時(shí)鐘的上升沿有效，而FEN、SHDNi、IR、ST、PE、L、B_0~B₃在完成寫配置操作后有效。

2．讀控制字
　　從MAX3100讀回的控制字如表2所示，讀控制字同時(shí)還可以通過(guò)配置命令最低位TEST=1，使器件進(jìn)入測(cè)試狀態(tài)，此時(shí)TX和RX構(gòu)成回路，完成自發(fā)自收的操作。
3．寫數(shù)據(jù)
　　寫數(shù)據(jù)格式如表3所示，要發(fā)送的數(shù)據(jù)由寫數(shù)據(jù)操作寫到數(shù)據(jù)寄存器，16位字中的最后7位或8位是實(shí)際發(fā)送的數(shù)據(jù)。如果只想改變 RTS的狀態(tài)而不發(fā)送數(shù)據(jù)，則可通過(guò)TE禁止數(shù)據(jù)的發(fā)送。

4．讀數(shù)據(jù)
　　從MAX3100讀得的數(shù)據(jù)如表4所示，在讀數(shù)據(jù)的同時(shí)將清除R和 IRQ。

三、 工作原理
　　MAX3100的工作原理如圖2所示，它包含一個(gè)簡(jiǎn)單的UART和波特率發(fā)生器，以及SPI接口和中斷發(fā)生器，只須往一個(gè)內(nèi)部寄存器寫入控制字，即可設(shè)置UART的波特率、數(shù)據(jù)字長(zhǎng)、校驗(yàn)使能。該“寫配置”寄存器包括四個(gè)中斷屏蔽位，并可選擇普通UART或I_RDA定時(shí)兩種工作模式?？删幊滩ㄌ芈拾l(fā)生器可被設(shè)置于300到230K波特間。通過(guò)寫配置寄存器的分頻比（BRD），對(duì)晶振頻率進(jìn)行分頻。MAX3100的振蕩器可選用1.8432MHz或3.6864MHz的晶體，也可由X1端輸入占空比為45%到55%的外部時(shí)鐘。

　　SPI接口是與微控制芯片的同步串行口，和普通的I/O口相連，接受從微控制芯片發(fā)出的片選，數(shù)據(jù)及時(shí)鐘信號(hào)，并將其裝載到發(fā)送緩沖器，內(nèi)部邏輯添加起始位和停止位，并按照選定的波特率進(jìn)行移位，通過(guò)TX發(fā)送出去。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)出中斷請(qǐng)求，并把接收到的數(shù)據(jù)傳送給微控制芯片。波特率發(fā)生器根據(jù)寫入B₀，B₁，B₂，B₃的值，為UART提供時(shí)鐘信號(hào)。UART包括收/發(fā)緩沖區(qū)，收/發(fā)移位寄存器，發(fā)送時(shí)，按設(shè)定的波特率，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行異步通信格式，通過(guò)TX引腳發(fā)送出去。接收時(shí)，并根據(jù)由高到低的跳變自動(dòng)檢測(cè)起始位，MAX3100以16倍頻的速率采集RX引腳，將采集到的數(shù)據(jù)放入8位的FIFO寄存器中。
　　在MAX3100中，可發(fā)出4種中斷請(qǐng)求信號(hào)：奇偶校驗(yàn)中斷、接收中斷、幀錯(cuò)誤/（待機(jī)接收）中斷、發(fā)送中斷?？筛鶕?jù)需要，對(duì)中斷屏蔽位（TM、RM、PM 和 RAM）進(jìn)行設(shè)置，選擇相應(yīng)的中斷方式，如圖3所示。

　　向MAX3100寫入數(shù)據(jù)時(shí)，在DIN寫入的是一個(gè)16位的字，其中高八位設(shè)置的內(nèi)容是：寫入標(biāo)志、允許TX輸出、RTS引腳設(shè)定以及傳送校驗(yàn)位設(shè)定。低八位才是要傳送的數(shù)據(jù)。　　從MAX3100讀出數(shù)據(jù)時(shí)，仍舊要在DIN寫入一個(gè)16位的字（0000H），再?gòu)?/span>DOUT讀入16位的字，其中的高八位是：接收/發(fā)送緩沖區(qū)的狀態(tài)，數(shù)據(jù)錯(cuò)/溢出狀態(tài)，接收/校驗(yàn)位狀態(tài)和CTS的狀態(tài)，低八位才是接收到的數(shù)據(jù)。
　　值得注意的是：由于MAX3100采用的是全雙工通信，即DIN，DOUT引腳上同時(shí)有數(shù)據(jù)傳送。在SCLK時(shí)鐘的下降沿，將數(shù)據(jù)從DOUT引腳發(fā)送出去，在SCLK時(shí)鐘的上升沿，從DIN引腳接收數(shù)據(jù)。

四、應(yīng)用實(shí)例
1． 硬件設(shè)計(jì)
　　圖4所示為MAX3100與78E58單片機(jī)采用SPI接口方式，實(shí)現(xiàn)高速串行數(shù)據(jù)收發(fā)的應(yīng)用實(shí)例，在電路中用MAX3100取代了以往常用的UART8251，以實(shí)現(xiàn)高性能的通信模式。78E58的P1.0_~P1.3分別接MAX3100的DIN、DOUT、SCLK以及 CS，78E58的 INTO與 IRQ相連，SHDN連高電平，使之保持在工作模式，MAX3100的TX和RX分別和MAX232的T1I以及R1O連接，RTS與CTS相連，通過(guò)MAX232電平轉(zhuǎn)換后與9針串行接口的第八腳相連用以控制計(jì)算機(jī)傳送數(shù)據(jù)。
　　78E58單片機(jī)接收時(shí)，上位機(jī)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)串行口由RS-232轉(zhuǎn)換TTL電平后，MAX3100串行接收，串行輸入到MCU中。78E58單片機(jī)發(fā)送時(shí)，MCU將要發(fā)送的數(shù)據(jù)串行送入MAX3100，通過(guò)RS-232轉(zhuǎn)換成232電平后串行輸出。

圖4　MAX3100與78E58單片機(jī)應(yīng)用實(shí)例

 2．  軟件設(shè)計(jì)
　　上述電路相應(yīng)的用C51編寫的參考程序如下：

    在程序設(shè)計(jì)時(shí)，我們要注意的是：如果是大批量的數(shù)據(jù)的接收，要通過(guò)硬件設(shè)置分批發(fā)送。當(dāng)接收完一批數(shù)據(jù)后，由于當(dāng)TE為高電平時(shí)，只改變 RTS的狀態(tài)而不發(fā)送數(shù)據(jù)，我們可以通過(guò)軟件設(shè)置TE為高電平， RTS為低電平，通過(guò)串行口通知計(jì)算機(jī)不要發(fā)送數(shù)據(jù)。在這批數(shù)據(jù)處理完之后，再設(shè)置 RTS為高，允許計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，繼續(xù)接收數(shù)據(jù)。
　　同時(shí)我們還要考慮MAX3100在通知計(jì)算機(jī)不要發(fā)送數(shù)據(jù)后還有一批的數(shù)據(jù)在緩沖區(qū)內(nèi)，這批數(shù)據(jù)要注意接收，而且這些數(shù)據(jù)應(yīng)留有一個(gè)接收的時(shí)間余地。也就是說(shuō)在通知計(jì)算機(jī)不要發(fā)送數(shù)據(jù)之后和開始執(zhí)行操作之前要延時(shí)一段時(shí)間，以保證數(shù)據(jù)的全部接收。

五： 結(jié)論
　　采用MAX3100作為擴(kuò)展的UART，具有價(jià)格低廉，功耗小，實(shí)現(xiàn)容易的特點(diǎn)，而且比傳統(tǒng)的UART8251占用體積小，傳輸速度快，工作頻率高，具有比8251更優(yōu)越的性能。
　　前面所給程序是通過(guò)端口發(fā)送與接收數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，對(duì)于任何一種基于MCS-51單片機(jī)采用MAX3100實(shí)現(xiàn)串行收發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說(shuō)都是非常有幫助的。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，該系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，數(shù)據(jù)傳送安全可靠，傳送快，應(yīng)用廣泛。
　　在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)在系統(tǒng)晶振采用40MH_Z，振蕩器晶振選用1.8432MH_Z時(shí)，C語(yǔ)言編寫的MAX3100接收程序工作在115200波特率時(shí)有數(shù)據(jù)丟失的情況，最高只能到57600波特率，用匯編語(yǔ)言編寫的程序則可以達(dá)到115200波特率。如果MAX3100晶振選用3.6864MH_Z時(shí),用匯編語(yǔ)言編寫的程序可以達(dá)到其最高的波特率。