串口扩展芯片选型和方案介绍

WK系列通用异步串口UART产品
产品介绍：
WK提供目前业界收发缓存最大、接口最全、尺寸最小的高性价比UART 器件，芯片内置多种总线数据转换处理协议，为工业和便携设备等嵌入式系统提供先进的串口扩展器件。

产品特点:
}接口最全：
--WK系列UART产品主接口支持UART、I2C、SPI、8位并行总线可选
--业内独创通过标准三线UART串口扩展UART技术。

}收发缓存最大：
--每个扩展串口具备256级收发独立FIFO
--支持超时中断和任意可设置FIFO触发点中断
--防止串口通信数据溢出，减少CPU响应中断次数-
--有效提高基于嵌入式OS系统中串口通信的实时性和可靠性。

}封装最小：
--系列产品采用SSOP16/20，QFP44，QFN24/32封装
--WK2204采用4*4mm的QFN24封装，为业界最小的4通道低电压UART --WK2166为QFP44封装，为业界最小的工业级宽电压4通道UART
}主接口特性：
--UART接口：波特率自适应技术，最高速率2Mbps,支持16字节连续收发；
--SPI接口：从模式，最高速率10Mbps，支持256字节连续收发；
--IIC接口：从模式，最高速率1Mpbs，支持16字节连续收发
--8位并口：标准8位总线模式，最高速率10MBps,仅占用2个地址空间
}扩展串口特性：
--系列产品支持2-4个扩展标准串口可选
--每个扩展串口波特率、字长、校验格式可以独立设置，并可单独软件复位；
--扩展串口最高通信速率可达2Mbps；
--扩展串口可以支持RS485自动收发，自动485网络地址识别；
--可设置为SIR标准的IrDA红外通信模式，速率可达115.2kbps。

}设计资源和支持：
--Linux/Android 系统级串口驱动，参考源代码
--8051，STM32 应用参考源代码
--EVB开发评估板
产品应用：
l移动便携设备：行业PDA、行业平板、移动收款机、便携数据采集终端
l工业控制：串口服务器、自动化现场控制、POS机、工业机器人，无人机
l仪器仪表：智能仪表、AMR远传抄表设备、工业/医疗采集仪器
l通信设备：工业网络通信设备、串行基站控制器、串行通信终端
l汽车电子：车载导航系统、停车管理系统、汽车安全行驶记录仪（黑匣子）l智能硬件：智能家居控制设备、可穿戴采集设备、智能安防，智能家电
产品选型：
WK21系列宽电压产品系列，工作电压2.5-5.0V ，适合工业级应用。

型号
主接口 子
通道数
通道速率2.5/3.3/5V (Mbps)
软件流控 硬件流控 GP IO 数量 485自动控制 超时中断 RX/ TX FIFO
9位网络
红外 Ir DA
休眠模式 封装形式 WK2114 U 4 1.0/1.5/2.0 有 无 0 无 有 256 有 有 有 SOP20 WK2122 S 2 1.0/1.5/2.0 有 无 0 无 有 256 有 有 有 SSOP16 WK2124 S 4 1.0/1.5/2.0 有 无 0 无 有 256 有 有 有 SSOP20 WK2142 I
2
1.0/1.5/
2.0 有 无 0 无 有 256 有 有 有 SSOP16 WK2166 U/S/I/P 4
1.0/1.5/
2.0
有
有
8
有
有
256
有 有
有
QFP44
WK22系列低电压产品系列，QFN 封装，工作电压2.0-3.3V ，适合移动便携应用。

型号
主接口 子
通道数 通道速率2.0/3.3 (Mbps)
软件流控 硬件流控 GP IO 数量 485自动控制 超时中断 RX/ TX FIFO 9位网
络 红外 Ir DA
休眠模式 封装
WK2202 U/S/I 2 1.0/1.5 有 2 0 有 有 256 有 有 有 QFN20 WK2203 U/S/I 3 1.0/1.5 有 3 0 有 有 256 有 有 有 QFN24 WK2204
U/S/I
4 1.0/1.
5 有 2 0 有 有 25
6 有 有 有 QFN24 WK2206 U/S/I/P
6
1.0/1.5
有
4
8
有
有
256
有 有
有
QFN40
主接口缩写说明：U=UART S=SPI I=IIC P=Parallel
l 目前业内唯一提供全系列256级超大收发FIFO 的多通道UART 产品 l WK2166采用QFP44封装，目前业内最小的宽电压4通道工业UART l WK2204 采用QNF24封装，目前业内最小的低电压4通道UART
WK21系列宽电压UART 产品 WK22系列低电压UART 产品
产品应用设计方案：
◆基于DSP的专业多轴飞行器控制系统串口扩展应用
相对于消费级多轴飞行器，专业多轴飞行器的飞控系统连接的连接的设备更多，处理的数据量更大，对数据处理的速度和实时性要求更高，实际应用中多采用运算能力强大的DSP作为飞控系统的处理器。

绝大多数DSP器件只提供1-3个SCI(UART)串口，需要进行UART串口扩展。

在本设计方案中采用SPI接口的四通道UART WK2124进行UART串口扩展，原理示意图如下，通过DSP的SPI接口扩展4个标准UART串口，加上DSP 自带的2个串口(SCIA/B)，实现最多6个串行设备的串口扩展。

专业多轴飞控系统需要连接的传感和控制设备模块包括:DGPS、高度传感器、航向传感器、姿态传感器，激光雷达、数传电台等，这些设备模块采用航空航天主流的RS232\485\422通信总线接口，经过RS232\485\422电平转换后，与DSP的UART 串口及扩展UART串口连接通信。

该应用方案优势：
}为飞控系统提供稳定可靠的硬件扩展串口：通过SPI扩展增强型硬件UART 串口，经过RS232/485/422电平转换连接外设模块，解决DSP与多个串行通信外设可靠连接和实时通信的问题。

}超大收发缓存提高DSP处理效率：WK2124每个扩展UART通道具备256级收发独立FIFO，能有效的实现通信数据收发缓存，降低DSP的资源消耗，提高系统效率。

}可配置的中断提高了飞控系统的实时性和数据完整性：DSP自带的UART串口中断级别较低、FIFO较浅（16级），实际应用中，容易被其它系统或外设中断。

WK2124通过外部中断连接DSP，可以设定为更高的中断优先级。

同时每个扩展串口可以根据连接传感器的数据帧长度，独立设定FIFO中断点，在保证数据完整性的同时，提高了系统的实时性和可靠性。

◆基于PC/104构架无人机机载计算机串口扩展应用方案
无人机广泛采用的PC/104机载计算机是一种模块化，高可靠，可扩展的嵌
入式工业计算机，广泛应用于工业控制、航空航天等领域。

无人机系统中，部分传感器、控制模块、任务模块通常采用串行接口通信。

随着无人机的发展，需要接入的外设和传感器越来越多，PC/104计算机自带的4个串口在实际应用中不能完全满足需求，需要进行串口扩展。

本设计方案中选用1路UART串口扩展4路UART串口的WK2114进行串口扩展，原理示意图如下图。

PC/104模块的串口1和2分别连接2片WK2114，扩展出8个硬件串口，通过RS422/232电平转换后与多种外部外设连接。

该应用方案优势：
}简单灵活：通过主板的1个串口扩展出4个标准硬件串口，主串口工作速率>115kbps，扩展串口工作在9.6-38.4kbps，最多可以的扩展出16个硬件串口，简单灵活。

}稳定高效：相对于PC/104自带串口的16级FIFO ,扩展的硬件串口具备256级收发独立FIFO，可以提供更大的输入输出缓存，有效提高数据收发的稳定性。

}更高实时性：扩展串口通过优先级更高的外部中断与PC/104连接，中断触发可设置，能有效提高系统实时性。

}方便测试和模拟仿真：所有外设都通过串口接入，可以在PC/104的串口接入串口测试和模拟仿真设备，方便的实现测试和模拟仿真。

◆基于WK2166的串口服务器设计方案
基于兼容和可靠性考虑，大量的工业、自控、仪表灯设备仍然采用传统可靠的RS232/485/422接口进行通信。

当需要进行远程管理和配置串口通信设备时，需要用到串口服务器。

串口服务器提供串口转网络功能，能够将RS-232/485/422串口转换成TCP/IP网络接口，实现RS-232/485/422串口与TCP/IP网络接口的数据双向透明传输，使得串口设备能够立即具备TCP/IP网络接口功能，连接网络进行数据通信，极大的扩展串口设备的通信距离和应用领域。

串口服务器是一台含CPU、操作系统和网络接入功能的工业计算机，其架构原理如下，本方案CPU通过并行总线连接多个WK2166，并通过接口电平转换芯片实现与多个RS-232/485/422设备的连接。

RS232收发器[1：4]
基于WK2166的串口服务器设计方案
该应用方案优势：
}扩展接口数量和功能可配置：通过译码器可以方便的连接32个WK2166，实现最多128个串口通道的扩展，扩展串口均为可配置为带硬件流控（RS232）或者自动收发（RS485）的增强型串口，可以方便连接不同外设。

}高速稳定：并行主接口总线速度可达10MB/s，扩展串口的速度可达2Mbps，满足多路高速串行通信需要。

}实时高效：WK2166是目前业内唯一提供256收发FIFO的4通道UART器件，具备任意级别可设置触发中断和超时中断，相对于现在的普遍的16-64级FIFO的UART器件，可以降低CPU的管理负担，有效提高系统实时性。

}驱动成熟：WK2166提供了稳定成熟的Linux驱动，广泛应用于工控，电力等对稳定性要求较高的行业。

随着车联网的发展，传统的车载多媒体导航系统向着车载综合信息平台方向发展，车载综合信息平台除了传统的GPS导航和多媒体功能外，具备更多的如安防、辅助驾驶、远程监控诊断等，需要接入更多的外部模块。

现有的主控芯片最多具备的4个串口无法满足应用，需要进行串口扩展。

本方案设计中选用SPI接口的额WK2124进行串口扩展，将一个SPI接口转换扩展为4个标准UART硬件串口，加上CPU自带的4个UART串口，COM1
口一般保留为系统调试口，因此该方案可以连接最多7个串行外设。

该应用方案优势：
}灵活方便扩展串口：提供Linux/Android下的驱动代码，可以方便灵活的通过SPI扩展出多个串口，为系统提供足够的升级空间。

}提高系统效率，降低CPU符合：车载综合信息平台中，CPU需要处理娱乐、导航、辅助驾驶、通信等多种任务，CPU负荷较大。

WK2124是超大的FIFO 缓存和灵活的中断设置，可以降低CPU的管理负担，提高系统效率。

}
◆“树莓派”系统的串口扩展应用和教学示例
树莓派是只有信用卡大小，成本仅25-35美元的微型计算机，可搭载开源的Linux系统和应用，由Raspberry Pi非营利基金会在2012年推出，2015年推出的升级版Pi 2，处理器速度比Pi 1快6倍，内存也加倍，并且能搭载Windows 10。

到2015年，全球的树莓派已经销售了500万套，用户中教育、工业、创客用户大致各占三分之一。

树莓派的GPIO中自带一个UART串口，该串口默认为系统调试接口，实际应用中当树莓派需要接更多的外设如各种传感器、控制模块、GPS、蓝牙、红外模块等，这些设备多广泛使用串行接口（UART\RS232\485）,因此需要对树莓派进行串口扩展。

本方案中选用WK2166进行串口扩展，可以通过跳线选择，灵活实现通过树莓派上的UART\IIC\SPI接口扩展4个增强型串口及8个GPIO。

该应用方案优势：
}稳定运行：现有树莓派扩展串口方案一般是通过多个USB转换串口实现，在实际应用多个中该方案普遍存在工作不稳定的问题。

通过UART/SPI/IIC 接口桥接扩展串口，是工业领域普遍采用的串口扩展方式，具备较高的稳定性，适用于需要长期稳定运行的系统使用。

}灵活扩展：WK2166提供UART/SPI/IIC三种接口与树莓派连接，可以通过跳线设定。

扩展出来的4个具备RTS、CTS的增强型串口，可以连接RS232/485/蓝牙红外等各种接口，实现多种外设的灵活接入。

同时该方案在扩展4串口的同时也提供了8路扩展的GPIO,系统扩展更灵活。

}开源学习：本参考设计给出了树莓派在Linux下的UART/IIC/SPI扩展串口及控制GPIO的驱动代码和示例，为深入学习树莓派Linux的设备驱动编程提供了很好的手段。

其它典型应用参考设计
u智能远传表应用
随着智能仪表的发展，需要连接的模块和提供的接口不断增加，需要提供RS485，MBUS，RF等接口，部分仪表还需要连接串口显示屏、IC卡读卡器、GPRS通信模块等外设。

仪表uC提供的UART有限，可以根据实际情况，选用WK2203，通过uC的SPI,IIC或者UART口扩展串口，满足应用连接扩展模块的需要。

目前远传仪表多采用集中抄表的方式完成对仪表数据的采集，通过有线或无线方式集中读取抄表数据，并通过有线（PSTN）或者无线（GPRS/3G）公网传输到管理中心。

无论是有线的RS485/MBus，还是无线的433M/ZigBee都是通过UART串口与抄表器uC连接，选用具备485自动收发控制功能的WK2166扩展出4路UART串口，连接RS485/MBUS/RF，可以实现对4组总线共1000个仪表的集中抄表和管理。

u商业POS收款机扩展串口应用方案
现代商用POS收款机功能越来越强大，需要连接的外设也越来越多，诸如电子称、条码枪、串口票据打印机、串口顾客显示屏、RFID读卡器、密码键盘等，这些设备的接口都是RS232或者485的串口设备。

商用POS机的主控多采用ARM系列CPU,其能提供的串口多为4个，其中COM1一般用作系统调试口，可以用来连接外设的实际只有3个串口，因此需要扩展串口。

本方案中通过SPI 接口的WK2124扩展出4个串口，通过电平转换后可以与多种串口外设连接，满足POS机扩展外设的需求。

u多功能执法记录仪应用方案
现场执法记录器采用专业的高清Camera Soc作为主控，当需要扩展功能连接GPS(轨迹记录)，GPRS(位置上传)，BT蓝牙（PPT、遥控）时，需要对原有主控的串口进行扩展。

多功能执法记录仪需要在有限的体积内安装多个模块，PCB 面积有限，实际应用中选用QFN小封装的WK2203进行扩展，主接口可以灵活配置为IIC,SPI,UART。

u101规约配电自动化通信系统应用
泛应用，实际应用中，馈线的FTU数量较多，在配电自动化系统中，采用多串口方式通信方式来降低计算机的计算压力。

本系统设计中，CPU通过2片WK2124扩展多个串口，通过异步通信光电模块转换后，连接多个101规约的FTU终端，
实现多个终端的高效实时通信。