基于SPI的多串口扩展方案
基于AVR_SPI接口的MCP23S17扩展16位通用IO端口设计
基于AVR_SPI接口的MCP23S17扩展16位通用IO端口设计MCP23S17是一种基于SPI接口的16位扩展IO芯片，可以通过SPI协议与主控芯片（如AVR）进行通信，以扩展IO端口的数量。
本文将详细介绍基于AVR_SPI接口的MCP23S17扩展16位通用IO端口的设计。
一、MCP23S17简介MCP23S17是Microchip公司生产的一款16位通用IO扩展芯片，通过与主控芯片（如AVR）进行SPI通信，可以实现16位IO口的扩展。
MCP23S17可以通过SPI总线配置其工作模式，包括输入/输出模式、上拉电阻使能、中断使能等。
二、硬件设计1.主控芯片（如AVR）：作为主控芯片，负责与MCP23S17芯片进行通信以及处理数据。
2.MCP23S17芯片：作为IO扩展芯片，通过SPI协议与主控芯片进行通信，并提供16位IO口的扩展功能。
3.外部设备：根据需求，可以连接各种外部设备，如按键、LED等。
硬件连线如下：- AVR的SPI MOSI引脚连接到MCP23S17的SI（Serial Input）引脚，用于传输数据。
- AVR的SPI MISO引脚连接到MCP23S17的SO（Serial Output）引脚，用于接收数据。
- AVR的SPI SCK引脚连接到MCP23S17的SCK（Serial Clock）引脚，用于时钟信号。
- AVR的SPI SS引脚连接到MCP23S17的CS（Chip Select）引脚，用于选择芯片。
三、软件设计1.初始化SPI模块：在主控芯片上初始化SPI模块，包括设置时钟分频、工作模式等。
2.初始化MCP23S17：通过SPI发送配置命令，初始化MCP23S17芯片的各种寄存器，包括IO口方向、上拉电阻使能、中断触发方式等。
3.读取IO口状态：通过SPI发送读取命令，读取MCP23S17芯片的输入口状态，并传输给主控芯片。
4.设置IO口状态：通过SPI发送写入命令，设置MCP23S17芯片的输出口状态，控制外部设备的状态。
SPI总线的UART扩展方法
SPI总线的UART扩展方法SPI（串行外围接口）总线是一种同步串行通信接口，常用于微控制器与外部设备之间的数据传输。
然而，SPI总线本身并不支持UART（通用异步接收和发送器）协议，因为UART是一种异步通信协议，而SPI是一种同步通信协议。
为了实现SPI总线的UART扩展，可以采用以下方法：1.使用软件模拟UART：这种方法利用总线的时钟信号来模拟UART通信协议的数据传输。
在发送端，根据UART协议的要求，将数据位、起始位、停止位及校验位转换成相应的SPI信号序列，并使用SPI总线的时钟信号进行同步传输。
在接收端，根据SPI信号序列的变化，识别出UART数据帧中的各个位，并还原成原始的UART数据。
2.使用硬件转换芯片：可以使用专门的硬件转换芯片来实现SPI总线和UART协议的转换。
这些转换芯片内部集成了SPI和UART的硬件控制逻辑，可以实现SPI总线与UART协议之间的快速转换。
用户只需要将UART数据接口连接到转换芯片的UART输入端口，将SPI总线接口连接到转换芯片的SPI输入/输出端口，然后通过转换芯片内部的控制寄存器设置相应的参数即可。
3.使用单片机或FPGA实现：通过编程配置，可以利用现代的单片机或FPGA来实现SPI总线与UART协议的转换。
在单片机或FPGA的内部，可以编写相应的软件或硬件逻辑来实现SPI总线协议和UART协议之间的转换。
这种方法的优点是可以根据具体应用的需求定制化开发，灵活性高，但需要一定的编程和硬件设计能力。
4.使用外部通信模块：还可以使用专门的外部通信模块来实现SPI总线和UART协议的转换。
这些通信模块通常具有多种通信接口，包括SPI总线接口和UART接口，可以通过配置使其同时支持SPI总线和UART协议。
用户只需要将需要转换的SPI总线连接到通信模块的SPI接口，将需要转换的UART设备连接到通信模块的UART接口，然后通过模块内部的配置参数进行设置。
基于增强型SPI接口的大容量Flash扩展实现
∙随着信息时代的到来，各种信息的集成和交互越来越频繁。
运动控制系统中需要处理和存储的信息量也和日俱增，大部分运动控制系统的核心器件MCU 自身已集成较大容量的存储器（和以前MCU相比），但仅仅依靠MCU自身的存储器一般非常难满足系统对大容量存储的需求，因此必须找到高效的方法实现对系统存储容量的扩展。
SPI是个高效、数据位数可编程设置的高速输入/输出串行接口，几乎所有MCU生产厂商都提供对SPI接口的支持，目前高速SPI接口的时钟频率已达到60MHz甚至更高，SPI接口一般只用4根连接线即可完成所有的数据通讯和控制操作，因此不占用MCU的数据总线和地址总线，极大的节约了系统的硬件资源，是一种经济实用的扩展系统存储容量的方法。
本文利用32位DSP-TMS320F2812自身的增强型SPI接口，结合性价比高的串行接口Flash，高效地实现了对系统存储容量的扩展。
2 系统总体介绍Flash扩展实现的硬件系统是具有Ethernet接口的基于DSP和CPLD的运动控制板，系统总体结构如图1所示，核心器件是TI公司推出的32位定点DSP-TMS320F2812和Altera公司推出的MAXII系列CPLD-EPM1270G。
主要完成系统输入信号的检测、处理，各种控制算法及和各种接口（Ethernet接口和RS232接口）的通讯，运动控制系统的部分控制程式、大量的初始化数据和系统的设置信息都存在大容量的串行接口Flash M25P80中，通过DSP增强型SPI 接口实现和核心处理器DSP的高速通信。
∙3 Flash扩展的硬件设计3.1 TMS320F2812的增强型SPI接口特性（1）可编程的125种不同的波特率。
（2）可编程的1-16位有效数据长度。
（3）支持4种时钟模式，不带相位延时的下降沿模式、带相位延迟的下降沿模式、不带相位延时的上升沿模式和带相位延时的上升沿模式。
（4）可持续操作的特性：16级发送和接收FIFO；可编程的中断优先级和延时发送控制功能。
串口扩展方案
串口扩展方案简介串口是计算机与外部设备进行数据交互的一种通信方式。
在某些场景下，需要扩展额外的串口来满足设备连接的需求。
本文将介绍几种常用的串口扩展方案，包括硬件扩展和软件扩展两种。
硬件扩展方案硬件扩展是通过增加硬件模块来实现串口的扩展。
下面介绍两种常用的硬件扩展方案。
方案一：串口芯片扩展一个常见的硬件扩展方案是使用串口芯片进行扩展。
这种方案主要通过在主板上添加一个或多个串口芯片，以增加额外的串口。
一般而言，串口芯片具有较好的兼容性和稳定性，并且能够支持多种串口协议。
常用的串口芯片有常见的UART芯片，常用的型号包括PL2303、CP2102等。
这些芯片一般支持USB接口，可以轻松地与计算机连接，方便进行数据传输。
方案二：扩展板另一种硬件扩展方案是使用扩展板。
扩展板是一种外部设备，一般通过插入到计算机的扩展槽口或接口上来实现与计算机的连接。
常用的扩展板类型包括PCI扩展板、PCIe扩展板和USB扩展板等。
PCI扩展板和PCIe扩展板适用于台式机等有PCI或PCIe插槽的计算机，可以通过插槽接口连接到计算机主板上。
而USB扩展板则适用于各种类型的计算机，通过USB接口与计算机连接。
使用扩展板进行串口扩展的好处是可以同时添加多个串口，满足多设备连接的需求。
同时，扩展板还可能提供其他功能，如并行端口、网络接口等。
软件扩展方案除了硬件扩展之外，还可以使用软件扩展方案来实现串口的扩展。
下面介绍两种常用的软件扩展方案。
方案一：虚拟串口驱动虚拟串口驱动是一种通过软件模拟串口功能的方案。
它将虚拟串口映射到计算机的物理串口或其他设备上，使得计算机可以像操作真实串口一样操作虚拟串口。
虚拟串口驱动通常是由一些软件开发人员开发的，并且提供了应用程序编程接口(API)，可以与设备驱动程序交互。
通过虚拟串口驱动，可以实现串口的创建、配置和通信等功能。
方案二：串口转以太网设备串口转以太网设备是一种通过网络连接实现串口扩展的方案。
GM8141_GM8142(SPI扩四串口芯片中文手册)
6.4
SPI 接口参数.......................................................................................................... 20
7 机械尺寸 ....................................................................................................：２００６ 年 ６ 月
由成都国腾微电子有限公司发布
由上海福：跃电子 负责全面代理销售
成都国腾微电子有限公司版权所有。
数据手册
第 １ 页 共 ２３ 页
2006 年 6 月
This specification are subject to be changed without notice. Any latest information please preview
4.2
工作模式................................................................................................................... 5
4.2.1 基本操作........................................................................................................... 5
4.5.1 软件 shutdown 条件及步骤 ........................................................................... 12
VK3224中文手册
VK3224SPI总线接口四通道通用异步收发器无铅封装1.产品概述VK3224是SPI TM接口的4通道UART器件。
VK3224实现SPI桥接/扩展4个串口（UART）的功能。
扩展的子通道的UART具备如下功能特点：每个子通道UART的波特率、字长、校验格式可以独立设置，最高可以提供1Mbps的通信速率。
每个子通道可以独立设置工作在IrDA红外通信。
每个子通道具备收/发独立的16 BYTE FIFO，FIFO的中断为4级可编程条件触发点。
VK3224采用SOP20绿色环保的无铅封装，可以工作在2.5～5.5V的宽工作电压范围，具备可配置自动休眠/唤醒功能。
[注]：SPI TM为MOTOLORA公司的注册商标。
2.基本特性2.1 总体特性低功耗设计，可以配置自动休眠，自动唤醒模式精简的配置寄存器和控制字，操作简单可靠高速CMOS工艺子通道串口独立配置，高速、灵活：每个子串口为全双工，每个子串口可以通过软件开启/关闭波特率可以独立设置，子串口最高可以达到1M bit/s (5V工作电压)每个子串口字符格式包括数据长度、停止位数、奇偶校验模式可以独立设置完善的子串口状态查询功能FIFO功能：每个子串口具备独立的16级9Bits发送FIFO，发送FIFO具备4级可编程触发点每个子串口具备独立的16级9Bits接收FIFO，接收FIFO具备4级可编程触发点软件FIFO使能和清空FIFO状态和计数器输出内置符合SIR标准的IrDA红外收发编解码器，传输速度可达115.2K bit/s2.3 SPI主接口特性最高速度5M bit/s3.应用领域多串口服务器/多串口卡车载信息平台/车载GPS定位系统POS/税控POS/金融机具6.1封装图7.2 寄存器描述1：子串口1有中断7.2.5 SFOCR 子串口FIFO控制寄存器：（1001）位复位值功能描述类型W/R Bit7 – 6 00 TFTL1—0 发送FIFO触点控制：00=0bytes 01= 4bytes 10=8bytes 11=12bytes当接收FIFO的数据减少到该触发点时，提示主机可以继续向发送FIFO写入数据。
利用SPI总线扩展串口
概述随着电子技术的发展，各类电子设备已不再满足于某一单一功能，而是朝着多功能集成的方向发展，随着功能的增加，一个系统就不仅仅需要一个主机，还需要与多个外设配合工作以实现附加功能，因此主机与外设就必然需要进行数据传输，而这种传输一般会采用串口的方式以节约IO资源和增加传输距离。
而普通单片机控制器只提供1个串口，远不能满足多外设通讯的需求，因此串口扩展成为系统常常需要解决的问题。
串口扩展的方案比较多，但开发工作量、硬件成本、可靠性、指标存在一定差异。
鉴于速度、通用性及成本的考虑，SPI总线的应用非常广泛，因此利用SPI接口进行串口扩展也不失为实现串口扩展的一个好方式。
成都国腾微电子有限公司的GM814X芯片正是针对SPI扩串口的需求而设计开发的串口扩展专用芯片，可以帮助系统设计工程师轻松通过MCU的SPI接口实现扩串口的功能。
扩串口方案SPI总线SPI总线是由摩托罗拉公司提出的一种同步串行外围设备接口总线，主要用于微控制器和外围设备之间的串行传输。
SPI也能在多主设备系统中进行处理器的通信。
外围设备可以是简单普通的TTL移位寄存器，也可以是复杂完整的从系统，如LCD显示驱动器、模数转换器系统等。
SPI总线包含四条线：串行时钟(SCK)，主输出从输入(MOSI)，主输入从输出(MISO)，从设备选择(SS)。
总线系统中所有的SCK、MOSI、MISO引脚要连在一起。
系统中只有一个SPI设备可作主设备，其他连在总线上的SPI设备就成了从设备。
主设备将它的SCK和MOSI、MISO分别连到从设备的SCK和MOSI、MISO端。
SPI串行接口主要用于短距离的主机与从机的数据传送，具有连接电路简单、使用方便等优点，可为实现主机和从机及从外围设备的通信提供了一种简单、易行的方案。
GM814XGM814X芯片可以将一个标准SPI接口扩展成2个(GM8141)或4个(GM8142)标准的UART，所有扩展串口能以各自独立设置的波特率，帧长和校验方式，同时和SPI接口进行数据收发。
基于SPI互连的多串口系统
机 的 总和 。此 外 ． 介 绍 了数 据 交换 协 议 、 储 器 的 组 织 、 件 结 构 等 。 还 存 软
ＳＩ Ｐ 系统 中的 单 片机 以“ 主一 多从 ” 构 进 行 Ｓ Ｉ 线 互 连 ， 机 与从 机 通 过 Ｓ Ｉ 式 交 换 信 息 和 数 据 ， 个 从 机 的 单 结 Ｐ 总 主 Ｐ 方 每
串 口可 以 连接 １个 外 部 串 口设 备 并 交换 数 据 。 时 主机 的 串 口可 与 上 位 计 算 机 相 连 ， 而 实现 上位 计 算 机 通 过 该 系 同 从
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第 ｌ ８卷 第 ｌ 期 ２
Ｖｏ ．８ １ １ Ｎｏ １ ．２
电子设计 工 程
Ｅｌｃ ｒ ｎ ｃ Ｄｅ ｉｎ Ｅｎ ｉ ｅ ｒ ｇ ｅ ｔ ｉ ｓｇ ｇｎ ｅ ｉ ｏ ｎ
２１ ０ ０年 １ ２月
Ｄｅ ．２ ０ ｃ ０１
基才 Ｓ Ｉ Ｐ 互连的多串口系统
胡立群 。陈敦 军
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基于SPI的多串口扩展方案（1扩8）
前言
随着电子技术的发展，以微处理器（MCU），PC机组成的主从分布式测控系统已成为当今复杂的测控系统的典型解决方案。
单片机以其独特的串口通信功能为主，从设备之间的数据传输提供了便利。
但是51系列单片机只提供了一个全双工的串行通信接口，这对于一个实时性要求较高，测控功能复杂的系统而言是一个美中不足之处。
在我们设计的智能密集测控系统中，就需要测控工具有多个实时全双工的串行通信接口。
我们现在只能是选择有多个串口的单片机或者是进行串口扩展，选择多串口的单片机肯定成本比较高，而且局限性比较大；那么最好的方案还是进行串口扩展。
根据本人的对多款串口扩展芯片在性能、价格上的比较，个人认为维肯电子的VK3266这款串口扩展芯片还是相当不错的，下面我们就也VK3266来对单片机的串口进行扩展。
以单片机的一个串口，扩展为4个全双工的串口。
1、系统原理框图
2、 硬件原理图
硬件原理框图介绍：本设计主要依赖的硬件是2块VK3224串口扩展芯片实现一个spi 接口扩展8个uart 接口，外部电路实现简单。
主要是晶振电路，复位电路，spi 接口电路。
3、VK3224芯片介绍
1.产品概述
VK3224是SPI TM接口的4通道UART器件。
VK3224实现SPI桥接/扩展4个串口（UART）的功能。
扩展的子通道的UART具备如下功能特点：
每个子通道UART的波特率、字长、校验格式可以独立设置，最高可以提供1Mbps的通信速率。
每个子通道可以独立设置工作在IrDA红外通信。
每个子通道具备收/发独立的16 BYTE FIFO，FIFO的中断为4级可编程条件触发点。
VK3224采用SOP20绿色环保的无铅封装，可以工作在2.5～5.5V的宽工作电压范围，具备可配置自动休眠/唤醒功能。
[注]：SPI TM为MOTOLORA公司的注册商标。
2.基本特性
2.1 总体特性
低功耗设计，可以配置自动休眠，自动唤醒模式
宽工作电压设计，工作电压为 2.5V～5.5V
精简的配置寄存器和控制字，操作简单可靠
提供工业级和商业级产品
高速CMOS工艺
采用符合绿色环保政策的SOP20无铅封装
2.2 扩展子通道UART特性
子通道串口独立配置，高速、灵活：
每个子串口为全双工，每个子串口可以通过软件开启/关闭
波特率可以独立设置，子串口最高可以达到1M bit/s (5V工作电压)
每个子串口字符格式包括数据长度、停止位数、奇偶校验模式可以独立设置
完善的子串口状态查询功能
FIFO功能：
每个子串口具备独立的16级9Bits发送FIFO，发送FIFO具备4级可编程触发点
每个子串口具备独立的16级9Bits接收FIFO，接收FIFO具备4级可编程触发点
软件FIFO使能和清空
FIFO状态和计数器输出
错误检测：
支持奇偶校验错，数据帧错误及溢出错误检测
支持起始位错误检测
内置符合SIR标准的IrDA红外收发编解码器，传输速度可达115.2K bit/s 2.3 SPI主接口特性
最高速度5M bit/s
仅支持SPI从模式
16位，SPI模式0
3.应用领域
多串口服务器/多串口卡
工业/自动化现场RS-485控制
无线数据传输
车载信息平台/车载GPS定位系统
远传自动抄表（AMR）系统
POS/税控POS/金融机具
DSP/嵌入式系统
4.原理框图
图4.1 VK3224 原理框图
5.封装引脚5.1封装图
OSCO
VCC
RX3
TX3
RX1
TX1
GND
RX2
TX2
5.2 引脚描述。