低功耗MSP430單片機(jī)在3V與5V混合系統(tǒng)中的邏輯接口技術(shù)
摘要：低功耗MSP430單片機(jī)與傳統(tǒng)的LSTTL、HCMOS和CMOS接口技術(shù)，特別闡述了3V器件具有5V容限的特點(diǎn)，介紹兩種電平移位器。關(guān)鍵詞：單片機(jī) 接口電路 微機(jī)硬件
MSP430超低功耗微處理器是TI公司推出的一種新型單片機(jī)。它具有16位精簡指令結(jié)構(gòu)，內(nèi)含12位快速ADC/Slope ADC,內(nèi)含60K字節(jié)FLASH ROM，2K字節(jié)RAM，片內(nèi)資源豐富，有ADC、PWM、若干TIME、串行口、WATCHDOG、比較器、模擬信號(hào)，有多種省電模式，功耗特別小，一顆電池可工作10年。開發(fā)簡單，仿真器價(jià)格低廉，不需昂貴的編程器。
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MSP430其特點(diǎn)有：1.8V～3.6V低電壓供電；高效16位RISC CPU可以確保任務(wù)的快速執(zhí)行，縮短了工作時(shí)間，大多數(shù)指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期里完成；6微秒的快速啟動(dòng)時(shí)間可以延長待機(jī)時(shí)間并使啟動(dòng)更加迅速，降低了電池的功耗。MSP430產(chǎn)品系列可以提供多種存儲(chǔ)器選擇，簡化了各類應(yīng)用中MSP430的設(shè)計(jì)；ESD保護(hù)，抗干擾力特強(qiáng)。與其它微控制器相比，帶Flash的微控制器可以將功耗降低為原來1/5，既縮小了線路板空間又降低了系統(tǒng)成本。
MSP430具有如此多的優(yōu)點(diǎn)，可以預(yù)測(cè)在今后會(huì)有廣泛的應(yīng)用。但是目前仍有許多5V電池的邏輯器件和數(shù)字器件在使用，因此在許多設(shè)計(jì)中3V（含3.3V）邏輯系統(tǒng)和5V邏輯系統(tǒng)共存，而且不同的電源電壓在同一電路板中混用。隨著更低電壓標(biāo)準(zhǔn)的引進(jìn)，不同電源電壓邏輯器件間的接口問題會(huì)在很長一段時(shí)間內(nèi)存在。本文討論MSP430與單片機(jī)中最常用的LSTTL電路、CMOS電路及計(jì)算機(jī)HCMOS電路的3V和5V系統(tǒng)中邏輯器件間的接口方法。理解這些方法可避免不同電壓的邏輯器件接口時(shí)出現(xiàn)問題，保證所設(shè)計(jì)的電路數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?b>
1 邏輯電平不同，接口時(shí)出現(xiàn)的問題
在混合電壓系統(tǒng)中，不同電源電壓的邏輯器件相互接口時(shí)會(huì)存在三個(gè)主要問題：第一是加到輸入和輸出引腳上的最大允許電壓的限制問題；第二是兩個(gè)電源間電流的互串問題；第三是必須滿足的輸入轉(zhuǎn)換門限電平問題。器件對(duì)加到輸入腳或輸出腳的電壓通常是有限制的。這些引腳有二極管或分離元件接到Vcc。如果接入的電壓過高，電流將會(huì)通過二極管或分離元件流向電源。例如3V器件的輸入端接上5V信號(hào)，則5V電源將會(huì)向3V電源充電，持續(xù)的電流將會(huì)損壞二極管和電路元件。在等待或掉電方式時(shí)，3V電源降落到0V，大電流將流到地，這使總線上的高電平電壓被下拉到地。這些情況將引起數(shù)據(jù)丟失和元件損壞。必須注意的：不管是在3V的工作狀態(tài)或是0V的等狀態(tài)都不允許電流直接流向Vcc。另外用5V的器件來驅(qū)動(dòng)3V的器件有很多不同情況，各種電路間的轉(zhuǎn)換電平也存在不同情況。驅(qū)動(dòng)器必須滿足接收器的輸入轉(zhuǎn)換電平，并要有足夠的容限保證不損壞電路元件。
2 可用5V容限輸入的3V邏輯器件
3V的邏輯器件可以有5V輸入容限的器件有LVC、LVT、ALVT、LCX、LVX、LPT和FCT3等系列。此外，還有不帶總線保持輸入的飛利浦ALVC也是5V容限。
2.1 ESD保護(hù)電路
3V器件可以有5V的輸入容限。一般數(shù)字電路的輸入端都有一個(gè)靜電放電（ESD）保護(hù)電路。如圖1（a）所示，傳統(tǒng)的CMOS電路通過接地的二極管D1、D2對(duì)負(fù)向高電壓限幅實(shí)現(xiàn)保護(hù)，正向高是則由二極管D3箝位。這種電路為了防止電流流向Vcc電源，最大輸入電壓被限制在Vcc+0.5V。對(duì)Vcc為3V的器件來說，當(dāng)輸入端直接與大多數(shù)5V器件輸出端接口時(shí)允許的輸入電壓太低大多數(shù)3V系統(tǒng)加到輸入端的電壓可達(dá)3.6V以上。有些3V系統(tǒng)可以使用兩個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)管或晶體管T1、T2代替二極管D1、D2，如圖1（b）所示。T1、T2的作用相當(dāng)于快速劑納二極管對(duì)高電壓限幅。由于去掉了接到Vcc的二極管D3，因此最大輸入電壓不受Vcc的限制。典型情況下，這種電路的擊穿電壓在7～10V之間，因此可以適合任何5V系統(tǒng)的輸入電壓。
由上述分析可知，改進(jìn)后具有ESD保護(hù)電路的3V系統(tǒng)的輸入端可以與5V系統(tǒng)的輸出端接口。
2.2 總線保護(hù)電路
總線保護(hù)電路就是有一個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)管用作上拉或下拉器件，在輸入端浮空（高阻）的情況下保護(hù)輸入端處于最后有效的邏輯電平。圖2（a）中的電路為一LVC器件總線保護(hù)電路，采取改進(jìn)措施而使其輸入端具有5V的容限。其基本原理如下：P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管具有一個(gè)內(nèi)在的寄生二極管，它連接在漏極和襯底之間，通常源極與襯底是連在一起的，這就限制了輸入電壓不能高于Vcc+0.5V。現(xiàn)在的措施是用常閉接點(diǎn)S1將源極與襯底相連，當(dāng)輸入端電壓比Vcc高0.5V時(shí)，比較器使S2閉合，S1斷開，輸入端電流不會(huì)通過二極管流向Vcc而使輸入具有5V的容限。圖2（b）是LVT和LAVT器件總線保持電路的例子。這種電路用了一個(gè)串聯(lián)的肖特基二極管D，消除了從輸入到Vcc的電流通路，從而可以承受5V輸入電壓。對(duì)于3V的總體保持LVC、LVT和ALVT系列器件可以承受5V的輸入電壓。但對(duì)于3V的ALVC、VCX等系列器件則不能，它們的輸入電壓被限制在Vcc+0.5V。
圖3是用于3V CMOS器件輸出電路的簡化形式。當(dāng)輸出端電壓高于Vcc+0.5V（二極管壓降）時(shí)，P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管的內(nèi)部二極管會(huì)形成一條從輸出端到Vcc的電流通路。這種電路在與5V器件相接時(shí)需要加保護(hù)電路。
圖4是一種帶保護(hù)電路的CMOS器件輸出電路。當(dāng)輸出端電壓高于Vcc時(shí)，比較器使S1開路，S2閉合，電流通路消失。這樣在三態(tài)方式時(shí)就能與5V器件相接。
2.3 biCMOS輸出電路
LVT和ALVT器件的biCMOS輸出電路如圖5所示。它用雙極NPN晶體管和CMOS場(chǎng)效應(yīng)管來獲得輸出電壓擺幅達(dá)到電源電壓的要求。電流不會(huì)通過NPN雙極晶體管回流到Vcc，但在P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管中的內(nèi)在二極管仍然會(huì)形成一條從輸出端到Vcc的電流通路（為了簡化，圖5中沒有畫出該二極管）。因此這種電路不能接高于Vcc的電壓。
對(duì)圖5電路所加的保護(hù)電路如圖6所示。增加了反向偏置的肖特基二極管，用以防止電流從輸出端流到Vcc。圖6中的輸出端與5V驅(qū)動(dòng)器共用一條總線。在三態(tài)方式時(shí)，電路可以得到保護(hù)。當(dāng)出現(xiàn)總線爭奪即兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器都以高電平驅(qū)動(dòng)總線時(shí)，比較器將P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管斷開。當(dāng)3V器件處于等待方式而3V電源為0時(shí)，比較器和肖特基二極管可以起保護(hù)作用。
3 接口電路的有關(guān)參數(shù)
了解了3V器件為什么具有5V容限后，在MSP430與LSTTL、HCMOS、CMOS電路實(shí)現(xiàn)相互聯(lián)接之間，要先了解各種電路和器件的參數(shù)，如表1所示。
表1 各種電路和器件參數(shù)
電路 電源電壓范圍 輸入電平 輸出電平 V（V） VIH（V） VIL（V） VOH（V） VOL（V） LSTTL 4.5～5.5 2 0.8 2.7 0.4 CMOS 3～18（取Vcc=5） 3.5 1.5 4.5 0.5 HCMOS 2～6 3.5 1 5.2 0.4 MSP430 1.83.6 0.8Vcc 0.2Vcc Vcc-0.6 0.6 ALVT系列 3.3或2.5 1.7 0.8 2.0 0.2～0.55 LVC系列 1.65～5.5 0.7Vcc 0.3Vcc 2.7～5.5 0.1～0.55
4 接口實(shí)現(xiàn)
不同電源電壓的邏輯器件相互接口時(shí)存在的主要問題是邏輯信號(hào)電平的配合問題，就是前級(jí)電路輸出的電平要滿足后級(jí)電路對(duì)輸入電平的要求。此外還有負(fù)載電流的配合問題，即前級(jí)電路的輸出電流應(yīng)大于后級(jí)電路對(duì)輸入電流的要求，同時(shí)不應(yīng)造成器件損壞。還有就是在高速或有嚴(yán)重干擾的場(chǎng)合，必須考慮接口對(duì)系統(tǒng)和抗干擾性能帶來的不良影響。這里主要討論邏輯信號(hào)電平的配合問題。因?yàn)閷?duì)于負(fù)載電流配合問題只是一個(gè)帶負(fù)載能力。而抗干擾問題則用本文中提到的方法都可以忽略。
4.1 LSTTL-MSP430
如表1所示，LSTTL電路的高電平輸出電壓VOH約為2.7V，MSP430的高電平輸入約為0.8VCC，LSTTL電路的低電平輸出電壓VOL約為0.4V，MSP430的低電平輸入電壓VIL的0.2VCC。如果0.8Vcc小于2.7V且0.2Vcc大于0.4V時(shí)，不存在邏輯信號(hào)電平的配合問題，可以直接連接。如果0.8Vcc大于2.7V或0.2Vcc小于0.4V時(shí)，就出現(xiàn)了邏輯信號(hào)電平的配合問題。為了增大LSTTL電路的輸出高電平，利用TI公司的LVC系列。從表1中可以看到LVC系列產(chǎn)品的高電平輸出電壓和低電平輸出電壓都符合要求。
4.2 CMOS-MSP430
在接口時(shí)使CMOS和MSP430使用同一電源，例如3V電源可以直接驅(qū)動(dòng)。如果實(shí)際情況不允許，則根據(jù)1表，通過ALVT系列的器件就可以實(shí)現(xiàn)CMOS驅(qū)動(dòng)MSP430。
4.3 HCMOS-MSP430
同上述CMOS分析一樣，同樣選用ALVT來驅(qū)動(dòng)MSP430。
4.4 MSP430驅(qū)動(dòng)LSTTL、CMOS和HCMOS
MSP430的輸出引腳（P0.x、P1.x、P2.x、P3.x、P4.x、Oy）都有規(guī)定的外接電阻。外接電阻的大小取決于電源電壓Vcc的大小。如果輸出電流比規(guī)定的要大，就需要輸出驅(qū)動(dòng)器。圖7所示為限制MSP430輸出電流的電阻最小值。設(shè)計(jì)以Vcc=3V，通過這些器件可以驅(qū)動(dòng)需要大電流的LSTTL、HCMOS和CMOS電路接口。
5 兩種電平移位器件
5.1 雙電源電平移位器74LVC4245
74LC4245是一種雙電源的電平移位器，如圖8所示。5V端用5V電源作為Vcc(A)，而3V端則用3V作為Vcc(B)。它的功能類似于常用的收發(fā)器74LVC245，所不同的是用兩個(gè)電源而不是一個(gè)電源。74LVS4245的電平移位在其內(nèi)部進(jìn)行。雙電源能保證兩邊端口的輸出擺幅都能達(dá)到滿電源幅值，并且有很好的噪聲抑制性能。因此該器件用來驅(qū)動(dòng)5V CMOS器件是很理想的。缺點(diǎn)是增加了功耗。
5.2 74LVC07
較為簡單的一種電平移位器件是74LVC07。它使用一個(gè)漏極開路緩沖器去驅(qū)動(dòng)5V CMOS器件，如圖9所示。它的輸出端出一個(gè)上拉電阻R接到5V電源。
低功耗MSP430與LSTTL、HCMOS和CMOS器件共存于一個(gè)系統(tǒng)中，這種情況將在相當(dāng)長的時(shí)間。在設(shè)計(jì)這種系統(tǒng)時(shí)要分析其中邏輯器件的接口問題，保證所設(shè)計(jì)的電路在不同電壓器件間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
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