低功耗MSP430单片机在3V、5V混合体系中的逻辑接口技能

MSP430超低功耗微处理器是TI公司推出的一种新式单片机。它具有16位精简指令结构，内含12位快速ADC/Slope ADC,内含60K字节FLASH ROM，2K字节RAM，片内资源丰富，有ADC、PWM、若干TIME、串行口、WATCHDOG、比较器、模拟信号，有多种省电办法，功耗特别小，一颗电池可作业10年。开发简略，仿真器价格低廉，不需贵重的编程器。

MSP430其特色有：1.8V～3.6V低电压供电；高效16位RISC CPU能够确保使命的快速履行，缩短了作业时刻，大多数指令能够在一个时钟周期里完结；6微秒的快速发动时刻能够延伸待机时刻并使发动愈加敏捷，下降了电池的功耗。MSP430产品系列能够供给多种存储器挑选，简化了各类运用中MSP430的规划；ESD维护，抗搅扰力特强。与其它微控制器比较，带Flash的微控制器能够将功耗下降为本来1/5，既缩小了线路板空间又下降了体系本钱。

MSP430具有如此多的长处，能够猜测在往后会有广泛的运用。可是现在仍有许多5V电池的逻辑器材和数字器材在运用，因而在许多规划中3V（含3.3V）逻辑体系和5V逻辑体系共存，并且不同的电源电压在同一电路板中混用。跟着更低电压规范的引入，不同电源电压逻辑器材间的接口问题会在很长一段时刻内存在。本文评论MSP430与单片机中最常用的LSTTL电路、CMOS电路及计算机HCMOS电路的3V和5V体系中逻辑器材间的接口办法。了解这些办法可避免不同电压的逻辑器材接口时呈现问题，确保所规划的电路数据传输的可靠性。

1、 逻辑电平不同，接口时呈现的问题

在混合电压体系中，不同电源电压的逻辑器材彼此接口时会存在三个首要问题：第一是加到输入和输出引脚上的最大答应电压的约束问题；第二是两个电源间电流的互串问题；第三是有必要满意的输入转化门限电平问题。器材对加到输入脚或输出脚的电压一般是有约束的。这些引脚有二极管或别离元件接到Vcc。假如接入的电压过高，电流将会经过二极管或别离元件流向电源。例如3V器材的输入端接上5V信号，则5V电源将会向3V电源充电，继续的电流将会损坏二极管和电路元件。在等候或掉电办法时，3V电源降落到0V，大电流将流到地，这使总线上的高电平电压被下拉到地。这些状况将引起数据丢失和元件损坏。有必要留意的：不管是在3V的作业状况或是0V的等状况都不答应电流直接流向Vcc。另外用5V的器材来驱动3V的器材有许多不同状况，各种电路间的转化电平也存在不同状况。驱动器有必要满意接收器的输入转化电平，并要有满意的容限确保不损坏电路元件。

2、 可用5V容限输入的3V逻辑器材

3V的逻辑器材能够有5V输入容限的器材有LVC、LVT、ALVT、LCX、LVX、LPT和FCT3等系列。此外，还有不带总线坚持输入的飞利浦ALVC也是5V容限。

2.1 ESD维护电路

3V器材能够有5V的输入容限。一般数字电路的输入端都有一个静电放电（ESD）维护电路。如图1（a）所示，传统的CMOS电路经过接地的二极管D1、D2对负向高电压限幅完成维护，正向高是则由二极管D3箝位。这种电路为了避免电流流向Vcc电源，最大输入电压被约束在Vcc+0.5V。对Vcc为3V的器材来说，当输入端直接与大多数5V器材输出端接口时答应的输入电压太低大多数3V体系加到输入端的电压可达3.6V以上。有些3V体系能够运用两个MOS场效应管或晶体管T1、T2替代二极管D1、D2，如图1（b）所示。T1、T2的效果适当于快速剂纳二极管对高电压限幅。由于去掉了接到Vcc的二极管D3，因而最大输入电压不受Vcc的约束。典型状况下，这种电路的击穿电压在7～10V之间，因而能够合适任何5V体系的输入电压。

由上述剖析可知，改善后具有ESD维护电路的3V体系的输入端能够与5V体系的输出端接口。

2.2总线维护电路

总线维护电路便是有一个MOS场效应管用作上拉或下拉器材，在输入端浮空（高阻）的状况下维护输入端处于最终有用的逻辑电平。图2（a）中的电路为一LVC器材总线维护电路，采纳改善办法而使其输入端具有5V的容限。其基本原理如下：P沟道MOS场效应管具有一个内涵的寄生二极管，它衔接在漏极和衬底之间，一般源极与衬底是连在一起的，这就约束了输入电压不能高于Vcc+0.5V。现在的办法是用常闭接点S1将源极与衬底相连，当输入端电压比Vcc高0.5V时，比较器使S2闭合，S1断开，输入端电流不会经过二极管流向Vcc而使输入具有5V的容限。图2（b）是LVT和LAVT器材总线坚持电路的比如。这种电路用了一个串联的肖特基二极管D，消除了从输入到Vcc的电流通路，然后能够接受5V输入电压。关于3V的整体坚持LVC、LVT和ALVT系列器材能够接受5V的输入电压。但关于3V的ALVC、VCX等系列器材则不能，它们的输入电压被约束在Vcc+0.5V。

图3是用于3V CMOS器材输出电路的简化办法。当输出端电压高于Vcc+0.5V（二极管压降）时，P沟道MOS场效应管的内部二极管会构成一条从输出端到Vcc的电流通路。这种电路在与5V器材相接时需求加维护电路。

图4是一种带维护电路的CMOS器材输出电路。当输出端电压高于Vcc时，比较器使S1开路，S2闭合，电流通路消失。这样在三态办法时就能与5V器材相接。

2.3 biCMOS输出电路

LVT和ALVT器材的biCMOS输出电路如图5所示。它用双极NPN晶体管和CMOS场效应管来取得输出电压摆幅到达电源电压的要求。电流不会经过NPN双极晶体管回流到Vcc，但在P沟道MOS场效应管中的内涵二极管仍然会构成一条从输出端到Vcc的电流通路（为了简化，图5中没有画出该二极管）。因而这种电路不能接高于Vcc的电压。对图5电路所加的维护电路如图6所示。增加了反向偏置的肖特基二极管，用以避免电流从输出端流到Vcc。图6中的输出端与5V驱动器共用一条总线。在三态办法时，电路能够得到维护。当呈现总线抢夺即两个驱动器都以高电平驱动总线时，比较器将P沟道MOS场效应管断开。当3V器材处于等候办法而3V电源为0时，比较器和肖特基二极管能够起维护效果。

3、 接口电路的有关参数

了解了3V器材为什么具有5V容限后，在MSP430与LSTTL、HCMOS、CMOS电路完成彼此联接之间，要先了解各种电路和器材的参数，如表1所示。

表1——各种电路和器材参数

4、 接口完成

不同电源电压的逻辑器材彼此接口时存在的首要问题是逻辑信号电平的合作问题，便是前级电路输出的电平要满意后级电路对输入电平的要求。此外还有负载电流的合作问题，即前级电路的输出电流应大于后级电路对输入电流的要求，一起不该形成器材损坏。还有便是在高速或有严峻搅扰的场合，有必要考虑接口对体系和抗搅扰功用带来的不良影响。这儿首要评论逻辑信号电平的合作问题。由于关于负载电流合作问题仅仅一个带负载才能。而抗搅扰问题则用本文中说到的办法都能够疏忽。

4.1 LSTTL-MSP430

如表1所示，LSTTL电路的高电平输出电压VOH约为2.7V，MSP430的高电平输入约为0.8VCC，LSTTL电路的低电平输出电压VOL约为0.4V，MSP430的低电平输入电压VIL的0.2VCC。假如0.8Vcc小于2.7V且0.2Vcc大于0.4V时，不存在逻辑信号电平的合作问题，能够直接衔接。假如0.8Vcc大于2.7V或0.2Vcc小于0.4V时，就呈现了逻辑信号电平的合作问题。为了增大LSTTL电路的输出高电平，运用TI公司的LVC系列。从表1中能够看到LVC系列产品的高电平输出电压和低电平输出电压都符合要求。

4.2 CMOS-MSP430

在接口时使CMOS和MSP430运用同一电源，例如3V电源能够直接驱动。假如实际状况不答应，则依据1表，经过ALVT系列的器材就能够完成CMOS驱动MSP430。

4.3 HCMOS-MSP430

同上述CMOS剖析相同，相同选用ALVT来驱动MSP430。

4.4 MSP430驱动LSTTL、CMOS和HCMOS

MSP430的输出引脚（P0.x、P1.x、P2.x、P3.x、P4.x、Oy）都有规则的外接电阻。外接电阻的巨细取决于电源电压Vcc的巨细。假如输出电流比规则的要大，就需求输出驱动器。图7所示为约束MSP430输出电流的电阻最小值。规划以Vcc=3V，经过这些器材能够驱动需求大电流的LSTTL、HCMOS和CMOS电路接口。

5、 两种电平移位器材

5.1双电源电平移位器74LVC4245

74LC4245是一种双电源的电平移位器，如图8所示。5V端用5V电源作为Vcc(A)，而3V端则用3V作为Vcc(B)。它的功用类似于常用的收发器74LVC245，所不同的是用两个电源而不是一个电源。74LVS4245的电平移位在其内部进行。双电源能确保两头端口的输出摆幅都能到达满电源幅值，并且有很好的噪声按捺功用。因而该器材用来驱动5V CMOS器材是很抱负的。缺陷是增加了功耗。

5.2 74LVC07

较为简略的一种电平移位器材是74LVC07。它运用一个漏极开路缓冲器去驱动5V CMOS器材，如图9所示。它的输出端出一个上拉电阻R接到5V电源。

低功耗MSP430与LSTTL、HCMOS和CMOS器材共存于一个体系中，这种状况将在适当长的时刻。在规划这种体系时要剖析其间逻辑器材的接口问题，确保所规划的电路在不同电压器材间数据传输的可靠性。