WK2124串口扩展芯片深度解析

原创于 2025-11-04 14:56:59 发布 · 818 阅读

23 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#WK2124 # 串口扩展 # UART # SPI # I²C # FIFO # 嵌入式 # 工业通信 # 中断控制

AI助手已提取文章相关产品：

串口扩展芯片 WK2124 技术深度解析

在现代嵌入式系统中，一个看似不起眼的通信需求——多路串行接口——常常成为产品开发中的“卡脖子”环节。许多主控MCU虽然功能强大，却只集成2～3个UART通道，而实际项目中往往需要连接GPS、RFID、RS485传感器、调试端口甚至多个外设模块。面对这种“串口荒”，工程师们要么更换更贵的高引脚数MCU，要么采用复杂的FPGA方案，成本和开发周期随之飙升。

有没有一种方式，能在不更换主控的前提下，低成本、低功耗地扩展出多个高质量串口？答案是肯定的——西安华芯半导体推出的 WK2124 正是为此类场景量身打造的解决方案。这款四通道UART桥接芯片通过SPI或I²C接口，为系统额外提供4路全双工异步串行通信能力，在工业控制、智能网关、电力监控等领域悄然发挥着关键作用。

芯片架构与工作机制

WK2124 的核心价值在于其高度集成的设计理念：将传统分立实现的多串口功能浓缩于一颗QFN-32封装（5×5mm）的小型芯片内。它本质上是一个带有完整协议栈的“微型协处理器”，由主机MCU通过高速总线进行配置和数据交换。

整个系统的运行逻辑可以简化为这样一个过程：当某个外部设备通过UART向WK2124发送数据时，数据首先被存入对应通道的64字节接收FIFO中。一旦达到预设阈值或发生超时，芯片便会通过INT引脚向主控发出中断信号。主控响应后，通过SPI或I²C读取指定寄存器即可获取数据，整个过程无需持续轮询，极大减轻了CPU负担。

内部结构上，WK2124 主要包含五大模块：

主机接口模块 ：支持SPI Mode 0/3 和 I²C 标准/快速模式；
寄存器组 ：提供全局控制、各通道独立配置及状态查询接口；
四通道UART引擎 ：每通道具备独立波特率发生器、帧格式控制器；
双FIFO缓存 ：每个通道均配备64字节Rx/Tx FIFO；
可编程中断控制器 ：支持多种中断源合并输出。

值得注意的是，SPI与I²C接口不能同时使用，必须通过SEL0/SEL1引脚在硬件层面选择其一。这一设计虽限制了动态切换的可能性，但也避免了总线冲突风险，提升了系统稳定性。

关键特性详解

多协议主机接口支持

WK2124 提供两种主流数字接口选项，适应不同主控平台的需求：

SPI模式 ：最高支持8MHz时钟频率，兼容Mode 0（CPOL=0, CPHA=0）和Mode 3（CPOL=1, CPHA=1），适合对吞吐量要求较高的应用；
I²C模式 ：支持100kHz标准模式和400kHz快速模式，从机地址可通过A0/A1引脚设置，最多支持4个设备共用同一I²C总线。

对于资源紧张的低端MCU来说，I²C只需两根信号线即可完成通信；而对于高性能ARM处理器，则推荐使用SPI以获得更低延迟和更高带宽。

高性能UART通道设计

每个UART通道都具备完整的通信能力：

波特率范围覆盖 300bps 至 3Mbps ，配合14.7456MHz晶振可精准生成如115200、921600等常用速率；
数据格式灵活可配：5～8位数据位、1/1.5/2位停止位，并支持偶校验、奇校验、Mark/Space等多种校验方式；
支持RTS/CTS硬件流控，确保高速传输下的数据完整性；
每通道配备 64字节Rx + 64字节Tx FIFO ，触发级别可在1、4、8、16、32、56级之间编程设定。

相比传统的16C550系列芯片（仅16字节FIFO），WK2124 的FIFO深度提升近四倍。这意味着在相同波特率下，中断次数可减少约75%，显著降低CPU负载。例如，在115200bps下连续接收1KB数据，传统芯片可能产生60+次中断，而WK2124通常只需15次左右，系统效率大幅提升。

灵活的时钟管理机制

时钟精度直接影响串口通信的误码率。WK2124 支持外部晶振输入（典型值1.8432MHz、3.6864MHz、14.7456MHz），并通过内部PLL倍频和分频器精确调节波特率。尤其推荐使用14.7456MHz晶振，因其能整除几乎所有标准波特率（如115200 = 14745600 / 16 / 8），避免累积误差。

此外，寄存器可配置分频系数，使得非标波特率（如75000、131072）也能稳定生成，满足特殊设备的通信需求。

智能中断系统

中断是WK2124与主控交互的核心桥梁。其INT引脚可报告多种事件类型：

接收数据超时（Receiver Timeout）
Rx FIFO达到设定阈值
Tx FIFO为空或可写
帧错误、奇偶错误、溢出等异常状态

这些中断源可通过IER（Interrupt Enable Register）单独屏蔽或启用，并通过IIR（Interrupt Identification Register）识别具体来源。在多设备共享中断线的应用中，这种可编程性尤为重要，能够有效防止中断风暴并提高响应优先级控制能力。

工业级可靠性设计

针对严苛工作环境，WK2124 在电气特性方面做了充分考虑：

核心电压范围：2.5V ~ 3.6V，兼容多数3.3V系统；
I/O引脚支持5V耐压，可直接对接5V逻辑器件（如老式RS232电平转换芯片），无需额外电平转换电路；
内置±4kV HBM ESD保护，增强抗静电能力；
支持宽温工作（-40°C ~ +85°C），适用于工业现场和户外设备。

这一点在实际项目中非常实用。比如某智能配电箱需接入多个5V供电的Modbus RTU传感器，若选用仅支持3.3V I/O的串口扩展芯片，则必须增加电平转换IC，不仅增加BOM成本，还占用PCB空间。而WK2124 直接兼容5V输入，省去了中间环节。

实战驱动开发示例

以下是一个基于STM32平台通过SPI操作WK2124 的简化驱动代码片段，展示了如何初始化通道并读取数据：

#include "spi.h"
#include "gpio.h"

#define WK2124_SPI_PORT   hspi1
#define WK2124_CS_PIN     GPIO_PIN_4
#define WK2124_CS_LOW()   HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, WK2124_CS_PIN, GPIO_PIN_RESET)
#define WK2124_CS_HIGH()  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, WK2124_CS_PIN, GPIO_PIN_SET)

// 寄存器地址宏定义（按通道偏移）
#define WK_RHR_REG(ch)    (0x00 + (ch << 3))  // 接收保持寄存器
#define WK_IER_REG(ch)    (0x01 + (ch << 3))
#define WK_FCR_REG        0x02                 // 全局FIFO控制寄存器
#define WK_LCR_REG(ch)    (0x03 + (ch << 3))
#define WK_RXLVL_REG(ch)  (0x09 + (ch << 3))   // 当前Rx FIFO数据量

void WK2124_WriteReg(uint8_t reg_addr, uint8_t value) {
    WK2124_CS_LOW();
    uint8_t cmd = (reg_addr << 2) & 0xFC;      // SPI写命令格式：[ADDR<<2] + W/R=0
    HAL_SPI_Transmit(&WK2124_SPI_PORT, &cmd, 1, HAL_MAX_DELAY);
    HAL_SPI_Transmit(&WK2124_SPI_PORT, &value, 1, HAL_MAX_DELAY);
    WK2124_CS_HIGH();
}

uint8_t WK2124_ReadReg(uint8_t reg_addr) {
    WK2124_CS_LOW();
    uint8_t cmd = ((reg_addr << 2) & 0xFC) | 0x01;  // 读操作，R/W=1
    HAL_SPI_Transmit(&WK2124_SPI_PORT, &cmd, 1, HAL_MAX_DELAY);
    uint8_t data;
    HAL_SPI_Receive(&WK2124_SPI_PORT, &data, 1, HAL_MAX_DELAY);
    WK2124_CS_HIGH();
    return data;
}

void WK2124_Init(void) {
    // 启用所有通道FIFO，清空缓冲区，设置触发级别为1
    WK2124_WriteReg(WK_FCR_REG, 0x07);

    // 配置Channel 0为8N1格式
    WK2124_WriteReg(WK_LCR_REG(0), 0x03);

    // 开启接收就绪中断
    WK2124_WriteReg(WK_IER_REG(0), 0x01);
}

void WK2124_ReadChannel0(uint8_t *buffer, uint8_t *len) {
    uint8_t rx_level = WK2124_ReadReg(WK_RXLVL_REG(0));
    if (rx_level > 0 && rx_level <= 64) {
        for (int i = 0; i < rx_level; i++) {
            buffer[i] = WK2124_ReadReg(WK_RHR_REG(0));
        }
        *len = rx_level;
    } else {
        *len = 0;
    }
}

这段代码虽然简洁，但体现了几个关键点：
- 使用SPI Mode 0，CS由GPIO手动控制；
- 寄存器地址通过 (channel << 3) 实现偏移，符合数据手册布局；
- FIFO触发级别设为最小（1字节），适合低延迟响应场景；
- 实际工程中建议结合DMA使用，进一步释放CPU资源。