VK3X多总线UART在嵌入式手持设备中扩展串口及Linux驱动设计

摘要： 本文介绍了一种基于VK3X芯片实现嵌入式手持设备扩展串口的设计方案，并给出了嵌Linux下驱动设计的方法和编程参考。 
关键字： 嵌入式手持设备 VK3X UART 串口扩展 Linux驱动

随着嵌入式手持设备的功能增强，CPU/DSP需要与更多的功能模块连接，常见的诸如蓝牙模块，GPS模块，GSM模块，红外模块，读卡器模块等大多采用UART与CPU接口，而目前的CPU大多只提供2-3个串口，在设计中往往还需要留一个UART作为调试口，实际只有1-2个UART能用于连接外设模块，因此需要对CPU进行UART串口扩展。

传统的UART芯片因为尺寸，功耗等原因并不能完全满足手持设备的需要。考虑到手持设备对芯片的尺寸，功耗均有较严格的要求，本设计中选用专门为手持设备提供的1.8v低电压 VK3X系列QFN封装UART 产品作为串口扩展芯片。

1.VK3X 系列低电压UART器件的功能特点及原理架构介绍：
低电压版的VK3X系列UART支持1.8V-3.3V工作电压，-45℃ 到 +85℃工作温度，每个子通道支持最高1Mbps的传输速率，支持休眠及自动唤醒功能，最低休眠电流仅为90uA。 采用QFN24（4x4x0.8mm）和QFN32 (5x5x0.8mm)超小封装，完全满足手持设备的设计要求。

VK3X系列 UART的原理框图如下 

VK3X系列内部结构包括主机接口，子通道部分，MODEM控制逻辑，中断控制逻辑几部分。
主机接口为VK3X与CPU/DSP相连的接口，通过M1，MO模式选择信号线，可以分别选择8位并行总线，SPI总线，UART,IIC四种接口模式与主机相连。
MODEM控制逻辑用于与MODEM相连时的状态信号线的监控和控制。
中断控制逻辑用于产生和控制各种内部中断。
时钟发生器为芯片的提供时钟，可以用CLKSEL引线选择从晶振还是外部时钟源获取时钟。
多主机总线接口可以根据实际设计需要选择配置。


2． 基于VK3X的嵌入式手持设备扩展串口硬件设计：

2.1  UART、IIC总线扩展低速串口设计 （手持GPS设备）
VK3X的UART主机接口模式创新的实现了将一个标准3线异步串口（UART）扩展成为2～4个通道的串口（UART），为需要扩展串口的嵌入式系统提供了一个最简洁的解决方案，应用于对速度要求不高的现有方案扩展升级多串口的应用中。

IIC总线主机接口模式实现了IIC扩展桥接2-4个通道的UART，适合对串口速度要求不高，MCU的IO有限的应用（如GPS）中。 

本设计中采用VK302扩展2路低速串口，主接口有IIC和UART两种接口可以选择。嵌入式平台中的DSP/CPU通过IIC或UART总线与VK302相连，扩展出来的二个子串口分别连接低速的GPS模块和触摸屏模块。

2.2 SPI总线扩展高速串口设计 （GPS智能手机）
SPI总线主机接口模式可以通过高速的SPI同步串行口扩展2-4个通道的高速串口UART，广泛应用于带SPI同步串行接口的CPU,DSP扩展高速UART串口设计。
 本设计中VK304主机接口工作在最高5Mbps的SPI总线从模式下，扩展出的4个子串口分别连接蓝牙模块（920kbps）, 红外收发器（115.2kbps）,CDMA/GPRS模块（230kbps）,GPS模块（9.6kbps）。在设计中，为保证数据传输的可靠性，CDMA/GPRS于VK3X之间应用了硬件流量控制机制，通过RTS1,CTS1来实现硬件流量控制。


2.3 SPI/8位并行总线扩展高速串口及IO (智能双模手机)
VK3X的8位并行总线接口模式针对嵌入式产品特点，采用了管脚复用设计减少了引脚，并通过精简寄存器结构设计简化软件设计，可以替代16C55X系列产品应用于8位，16位，32位CPU扩展外部串口。用于并口输入的IO也可以复用为GPIO，为系统提供IO扩展功能。适用于同时需要串口扩展和IO扩展的系统中。
在本设计中使用VK3368进行串口扩展和IO扩展。在双模手机设计中，需要同时连接CDMA和GPRS两种无线模块，在CPU与模块之间，除了TX、RX、RTS、CTS之外，还需要连接DTR、DCD等握手信号。DCD信号用于模块是处于数据传送状态还是处于AT命令传送状态，DTR信号用来通知模块传送工作已经结束（挂断）。此处通过VK3368扩展出的GPIO实现握手信号的连接。

3．VK3X系列UART在Linux下的串口驱动设计
目前，Linux以其开放的特性已经广泛的应用到手持设备中，Linux2.6是目前应用较广的版本，在Linux2.6中，采用了新的drivers/serial/serial_core.c 基础构架，更易于开发驱动程序，也很方便移植到其它版本的Linux中。下面以基于ARM9（S3C2440）的Linux（2.6内核）平台为例，介绍采用SPI总线接口的VK3X的串口驱动设计示例 ：
VK3X驱动中包含的头文件：
#include <linux/config.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/console.h>
#include <linux/serial_core.h>
#include <asm/irq.h>
#include <asm/hardware.h>
#include "serial_vk32xx.h"
初始化SPI函数：
inline  void setup_spi(void)
{
    SPCON0=SPCON_MSTR|SPCON_ENSCK;
        SPPRE0=0x04;//set bandrate
         write_gpio_bit(VK32_CS,1);        
}
SPI发送函数：
uint8_t spi_send_byte(uint8_t dat)
{
    write_gpio_bit(VK32_CS,0);
     SPTDAT0=dat;
    while(!(SPSTA0&SPSTA_READY));
    write_gpio_bit(VK32_CS,1);
    return SPRDAT0;
}
写VK3X寄存器函数：
void vk3xxx_write_reg(uint8_t port,uint8_t reg,uint8_t dat)
{
    spi_send_byte(0x80|((port-1)<<5)|(reg<<1));
    spi_send_byte(dat);
}
读VK3X寄存器函数：
uint8_t vk3xxx_read_reg(uint8_t port,uint8_t reg)
{
    spi_send_byte(((port-1)<<5)+(reg<<1));
    return spi_send_byte(0x00);
}
初始化VK3X函数:
static int vk32xx_startup(struct uart_port *port, struct uart_info *info)

接收数据函数
static void
vk32xx_rx_chars(struct uart_info *info, struct pt_regs *regs)
{
    uint8_t ssr;
    struct tty_struct *tty = info->tty;
    unsigned int ch, flg, ignored = 0;
    struct uart_port *port = info->port;
  ……
}
发送数据函数
static void vk32xx_tx_chars(struct uart_info *info)
{
    struct uart_port * port = info->port;
    uint8_t ssr;
    ……
}
VK3X中断处理函数
static void vk32xx_int(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)
改变VK3X通信速度函数
static void vk32xx_change_speed(struct uart_port *port, u_int cflag, u_int iflag, u_int quot)
数据收发相关函数：
static void vk32xx_stop_tx(struct uart_port *port, u_int from_tty)
static void vk32xx_start_tx(struct uart_port *port, u_int nonempty, u_int from_tty)
static void vk32xx_stop_rx(struct uart_port *port)
控制相关函数：
static int vk32xx_startup(struct uart_port *port, struct uart_info *info)
static void vk32xx_shutdown(struct uart_port *port, struct uart_info *info)
static void vk32xx_change_speed(struct uart_port *port, u_int cflag, u_int iflag, u_int quot)
子通道操作相关函数：
static void vk32xx_config_port(struct uart_port *port, int flags)
static int vk32xx_verify_port(struct uart_port *port, struct serial_struct *ser)
static void vk32xx_init_ports(void)

驱动的接口结构如下：
static struct uart_ops vk32xx_pops = {
    tx_empty:    vk32xx_tx_empty,
    set_mctrl:    vk32xx_set_mctrl,
    get_mctrl:    vk32xx_get_mctrl,
    stop_tx:    vk32xx_stop_tx,
    start_tx:    vk32xx_start_tx,
    stop_rx:    vk32xx_stop_rx,
    enable_ms:    vk32xx_enable_ms,
    break_ctl:    vk32xx_break_ctl,
    startup:    vk32xx_startup,
    shutdown:    vk32xx_shutdown,
    change_speed:    vk32xx_change_speed,
    type:        vk32xx_type,
    release_port:    vk32xx_release_port,
    request_port:    vk32xx_request_port,
    config_port:    vk32xx_config_port,
    verify_port:    vk32xx_verify_port,
}; 

结束语
嵌入式手持设备需要越来越多的串口外设，在CPU自带的UART串口通道不够的情况下，需要进行串口扩展。针对嵌入式手持设备要求芯片小尺寸，低功耗，低电压的需求，选用低电压版本的VK3X进行串口扩展设计。在硬件设计上，根据不同应用，可以选用本文提供的低速串口扩展，高速串口扩展、高速串口及IO扩展等不同的参考设计方案。在驱动软件方面，可以参考本文提供的Linux驱动设计参考进行驱动设计。

参考文献： 
<VK3X系列产品数据手册>           www.vkic.com/DataSheetFiles/ 
<VK3X linux 驱动编程参考>  www.vkic.com/DataSheetFiles/vk3x_linux_drv.rar 
 The Serial Driver Layer"  by Greg Kroah-Hartman,  www.linux.it/~rubini/docs/serial/serial.html