MSP430混合逻辑系统的设计

收稿日期: 2003- 05- 14 M SP430 混合逻辑系统的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 王国伟 (兰州师范高等专科学校 物理系, 甘肃 兰州　730070) 摘　要: 　阐述了M SP430 与非 3. 3V 器件接口时存在的电源电压以及逻辑电平不匹配的问题, 分 析了产生这些问题的原因, 并给出了相应的解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 1 关键词: 　M SP430 系列; 电源电压; 逻辑电平 中图分类号: 　T P368　　　文献标识码: 　A 　　　　　文章编号: 100420366 (2004) 0120081203 The D esign of M SP430 M ixed L og ic W AN G Guo2w ei (D ep t of P hy sics, L anz hou T eacher’s Colleg e, L anz hou 70070, Ch ina) Abstract: 　T he pow er vo ltage and the log ic level unm atched m atters w hen M SP430 in terfaces w ith the o ther devices supp lied by no t 3. 3 vo ltage are in troduced. T he cau ses tha t resu lt in these m atters are ana lysed. T hu s, som e schem es are offered to reso lve these m atters. Key words: 　M SP430 fam ily; pow er vo ltage; log ica l level 　　随着更低电标准的引进, 不同电源电压和不同 逻辑电平器件的接口问题将是一个需待解决的问 题。如美国 (T exas In strum en ts, T I) 公司推出的混 合信号微控制器M SP430 系列[ 4 ] , 正是这款低电压 (118～ 3. 6 V )、低功耗、高性能的芯片系列, 其自带 1 到 2 个串行通信口, 在使用过程中不可避免的要 碰到不同电压、电平的接口问题 1 1　M SP430 与 5 V 逻辑器件接口问题 1. 1　逻辑电平不同时接口出现的问题 在混合电压系统中, 不同电源电压的逻辑器件 互相接口存在以下几个问题: 加到输入和输出引脚上允许的最大电压限制问 题 1 器件对加到输入或者输出脚上的电压通常是有 限制的 1 这些引脚有二极管或者分离元件接到 V cc1 如果接入的电压过高, 则电流将会通过二极管 或者分离元件流向电源 1 例如在 3. 3 V 器件的输入 端上加上 5 V 的信号, 则 5V 电源会向 3. 3 V 电源 充电 1 持续的电流将会损坏二极管和其它电路元 件; 2 个电源间电流的互串问题 1 在等待或者掉电 方式时, 3. 3 V 电源降落到 0 V , 大电流将流通到 地, 这使得总线上的高电压被下拉到地, 这些情况将 引起数据丢失和元件损坏 1 必须注意的是: 不管在 3. 3 V 的工作状态还是在 0 V 的等待状态都不允许 电流流向V cc; 接口输入转换门限问题 1 用 5V 的器 件来驱动 3. 3 V 的器件有很多不同的情况, 同样 T TL 和 CM O S 间的转换电平也存在着不同情况 1 驱动器必须满足接收器的输入转换电平, 并且要有 足够的容限以保证不损坏电路元件 1 1. 2　输入端 ESD 保护电路 传统的 CM O S 电路通过接地二极管D 1 和D 2 对负向高电压限而实现保护, 正向电压则由二极管 D 3 钳位 (如图 1 所示) 1 这种电路的缺点是为了防 止电流流向V cc 电源, 最大的输入电压被限制在 V cc+ 0. 5 V (二极管压降) 1 大多数 5 V 系统输出端 的电压可达 3. 6 V 以上 1 因此, 采用了这种电路结 构的 3. 3 V 器件是不能与 5 V 器件输出端直接接 口的 1 有些 3. 3 V 系统电路可以使用两个M O S 场效 管或者晶体管 T 1、T 2 代替图 2 (a) 中D 1、D 2 二极 管, 如图 2 (b) 所示 1T 1、T 2 的作用相当于快速齐纳 二极管对高电压限幅1由于去掉了接到V cc的二 第 16 卷　第 1 期 2004 年 3 月 　　　　　　　　　　　　　　 甘肃科学学报 Journal of Gansu Sciences　　　　　　　　　　　　　　　 V o l. 16　 N o. 1 M ar. 2004 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. (a)传统的 ESD 保护电路　　　　　　　　　　　　　　　　　 (b)改进后的 ESD 保护电路 图 1　CM O S ESD 保护电路 极管D 3, 因此最大输入电压不受V cc 的限制 1 典型 情况下, 这种电路的击穿电压在 7～ 10 V 之间 1 因 此, 这种改进后具有 ESD 保护电路的 3. 3 V 系统的 输入端可以承受 5 V 的输入电压 1 1. 3　CMOS 器件输出端保护电路 当 313 V 系统与 5 V 系统直接接口时, 在 313 V 器件的输出端可能存在“电流倒灌”问题 1 图 2 (a) 是 CM O S 器件输出端电路的简化形式 1 当输 出端电压高于V cc+ 0. 5 V 时, P 沟道M O S 场效应管 T 1 内部二极管D 1 会形成一条从输出端到V cc的电流通路 1 所以对于 3. 3 V 的这种 CM O S 电路与 5 V 器件相连时需要加保护电路 1图 2 (b) 是一种带保护电路的CM O S 器件输出电路 1 当加到输出端电压高于V cc 时, 比较器使 S1开路, S2 闭合, 则电流通路消失, 这样在三态方式时就能与 5 V 器件相连 1 (a)简化的CM O S 输出端　　　　　　　　　　　　　　　　　 (b)带保护电路的CM O S 输出端 图 2　CM O S 输出电路 1. 4　各种电平的转换标准 M SP430 系列的供电电压为 118～ 3. 6 V [ 1 ] , 通 常取典型电压为 3. 3 V , 所以 IöO 口的最大逻辑电 平也是 3. 3 V 1 在进行M SP430 微控制器设计时, 除了控制器本身还有很多外围的模块和芯片 1 比如 RAM、L CD、串口以及常用的 74 系列芯片等 1 如果 外围芯片或者模块的工作电压也是 3. 3 V , 那么就 可以直接接口 1 但是, 由于现在很多芯片的工作电 压都是 5 V , 如 EPROM , SRAM , 诸多 74 系列芯片 等 1 因此, 就存在一个如何将 3. 3 V M SP430 与这 些5 V 芯片或模块可靠接口问题 1 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1 所示为 5 V CM O S, 5V T TL 和 3. 3 V 电平的转换标准[ 2 ] 1 其 中, V OH 表示输出高电平的最低电压, V IH 表示输入 高电平的最低电压, V IL 表示输入低电平的最高电 压, V OL表示输出低电平的最高电压 1 从表 1 中可以 看出 5 V T TL 和 3. 3 V 的转换标准是一样的, 而 5 V CM O S 的转换标准是不同的 1 因此, 在系统接 口时, 必须考虑到二者的不同 1 表 1　5V CM O S、5 V T TL 和 3. 3 V T TL 电平转换　　单位öV 比 较 项 目 CND V oL V IL V t V IH VOH V cc 5V CM O S 0 0. 5 1. 5 2. 5 3. 5 4. 44 510 5V T TL 0 0. 4 0. 8 1. 5 210 2. 4 510 3. 3V T TL , LV C, ALV T 等 0 0. 4 0. 8 1. 5 210 2. 4 3. 3 1. 5　M SP430 与 5V 电平接口的 4 种情形 根据实际应用的场合, 考虑 4 种不同的情况 1 ①5V T TL 器件驱动M SP430: 由表 1 可知, 5 V T TL 和313 V T TL 的电平转换标准是一样 的 15 V T TL 器件输出的典型值为 3. 6 V 1 如果 313 V 器件能够承受 5V 的电压, 则从电平上来说 28 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　甘 肃 科 学 学 报　　　　　　　　　　　　　　　　　　2004 年　第 1 期 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 是完全可以直接相连的 1 但是, 驱动器结构会有所 不同 1 因此必, 须要对加到M SP430 输入端的电压 进 行 控 制, 使 其 不 超 过 3. 6 V , 以 防 万 一 1 ②M SP430驱动5 V T TL 器件: 313 V 和 5 V T TL 电平转换标准一样, 因此不需要额外的器件就可以 将二者直接相连 1 不需要额外的电路直接从 M SP430 驱动 5 V 的器件, 看起来是不可思议的, 但 是 313 V 器件的V OH 和V OL 电平分别是 214 V 和 014 V , 5 V T TL 器件的开门电平V ON ≤118 V , 关 门电平V O FF≥018 V , V IH和V IL 电平分别是 2 V 和 018 V 1 而M SP430 实际上能输出 3 V 摆幅的电压, 显然 5 V T TL 器件能够正确识别M SP430 的输入 电平; ③5 V CM O S 器件驱动M SP430: 显然, 5 V CM O S 与 313 V 的转换电平是不一样的 1 进一步 分析 5 V CM O S 的V OH和V OL 以及 313 V 的V IH和 V IL 的转换电平可以看出, 虽然两二存在一定的差 别, 但是能够承受 5 V 的电压的 313 V 器件能够正 确识别 5 V 的器件送来的电平值 1 所以能够承受 5 V 电压的313 V 器件可以直接与5 V 器件的输出端 接口 1 但是M SP430 没有 5 V 容限, 不能直接与 5 V 器件的输出端接口; ④M SP430 驱动 5 V CM O S: 313 V 与 5 V CM O S 的电平转换标准是不一样的 1 从表 1 中可以看出, 313 V 输出的高电压的最低电 压 值 V OH = 214 V (输出的最高电压可以达到 313 V ) , 而 5 V CM O S 器件要求的高电平最低电压 V IH = 315 V , 因此M SP430 的输出不能直接与5 V CM O S 器件的输入相连接 1 116　313 V 与 5 V 电平转换 在 5 V T TL 器件驱动M SP430 或者M SP430 与 5 V CM O S 器材件接口时, 二者是不能直接相连 的 1 在这种情况下, 必须要经过 313 V 与 5 V 电平 的相互转换 1 可以采用双电压 (一边是313 V , 另一 边是 5 V ) 供电的双向驱动器来实现电平转换 1 如 T I 的 SN 74ALV C164245, SN 74ALV C4245 等 芯 片, 可以较好地解决 313 V 与 5 V 电平的转换问 题 1对于 5 V T TL 驱动M SP430 时的情况, 也可以 采用一个简单的办法就是电阻分压, 类似于如图 2 所示的分压法电源解决方案 1 2　M SP430 与串口接口问题 M SP430 系列微控制器都自带串行通信口, 这 样就方便了与 PC 机接口, 增强了与外界通信的能 力 1 不过串口的电平逻辑关系与M SP430 存在很大 的差别 1 以广泛应用的 E IA 2R S2232C 标准为例, 对 于数据 (信息码) : 逻辑“1”(传号) 的电平为- 3～ - 15 V , 逻辑“0”(空号) 的电平为+ 3～ + 15 V ; 对 于控制信号: 接通状态 (ON ) , 即信号有效的电平 + 3～ + 15 V , 断开状态 (O FF ) , 即信号无效的电平 为- 3～ - 15 V 1 也就是说当传输电平的绝对值介 于 3～ 15 V 时, 认为是有效信号, 其它电平均认为是 无效的 1 而M SP430 输出的电平却在 0～ 3 V 左右, 因此要想与 PC 串口接口或者其它带有串口的终端 接口, 必须要进行 E IA 2R S2232C 与M SP430 电平逻 辑关系的转换 1 实现这种变换的方法很多, 可用分 离元件, 也可用集成电路 1 目前较广泛地使用集成 电路转换器件, 如M C1488, SN 75150 等芯片可完成 T TL 电平到串口电平的转换 1M C1489, SN 75154 可实现串口电平到 T TL 电平的转换 1M A X232ö M A X232A ,M A X3221öM A X3223 等芯片可完成多 路 3～ 5 V 电平与串口电平的双向转换 1 在 M SP430 与 PC 串口接口时, 用M A X232A 电路比 较简单 (只需外接几个电容) , 而且这款芯片可以实 现 2 路变换 1 参考文献: [ 1 ] 胡大可 1M SP430 系列 FLA SH 型超低功耗 16 位单片机 [M ]1北京: 北京航空航天大学出版社, 20021111 [ 2 ] 魏小伟 1M SP430 系列单片机接口及系统设计实例 [M ]1 北 京: 北京航空航天大学出版社, 20021111 [ 3 ] 张雄伟 1D SP 芯片的原理与开发应用[M ]1 (第 2 版) , 北京: 电子工业出版社, 2000191 [ 4 ] M SP540x4xx Fam ily U ser’s Guidi(SLAU 056B) 1 [ 5 ] 李朝青 1PC 机及单片机数据通信技术[M ]1 北京航天大学出 版社, 20001121 作者简介: 王国伟, (19662)男, 甘肃省永登人, 1989 年毕业于西北师范大学物理系, 现任兰州师范高等专科学校物理系副教授, 兰州 大学在读研究生, 主要从事电子技术及微机原理的教学与研究 1 38第 16 卷　　　　　　　　　　　　　　　　　王国伟:M SP430 混合逻辑系统的设计　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. 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