摘  要: 低功耗MSP430单片机与传统的LSTTL、HCMOS和CMOS接口技术,特别阐述了3V器件具有5V容限的特点,介绍两种电平移位器。

　　关键词: 单片机  接口电路  微机硬件

    MSP430超低功耗微处理器是TI公司推出的一种新型单片机。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,有多种省电模式,功耗特别小,一颗电池可工作10年。开发简单,仿真器价格低廉,不需昂贵的编程器。

　　MSP430其特点有:1.8V～3.6V低电压供电;高效16位RISC CPU可以确保任务的快速执行,缩短了工作时间,大多数指令可以在一个时钟周期里完成;6微秒的快速启动时间可以延长待机时间并使启动更加迅速,降低了电池的功耗。MSP430产品系列可以提供多种存储器选择,简化了各类应用中MSP430的设计;ESD保护,抗干扰力特强。与其它微控制器相比,带Flash的微控制器可以将功耗降低为原来的1/5,既缩小了线路板空间又降低了系统成本。

　　MSP430具有如此多的优点,可以预测在今后会有广泛的应用。但是目前仍有许多5V电源的逻辑器件和数字器件在使用,因此在许多设计中3V(含3.3V)逻辑系统和5V逻辑系统共存,而且不同的电源电压在同一电路板中混用。随着更低电压标准的引进,不同电源电压逻辑器件间的接口问题会在很长一段时间内存在。本文讨论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系统中逻辑器件间的接口方法。理解这些方法可避免不同电压的逻辑器件接口时出现问题,保证所设计的电路数据传输的可靠性。

1 逻辑电平不同,接口时出现的问题

　　在混合电压系统中,不同电源电压的逻辑器件相互接口时会存在三个主要问题:第一是加到输入和输出引脚上的最大允许电压的限制问题;第二是两个电源间电流的互串问题;第三是必须满足的输入转换门限电平问题。器件对加到输入脚或输出脚的电压通常是有限制的。这些引脚有二极管或分离元件接到VCC。如果接入的电压过高,电流将会通过二极管或分离元件流向电源。例如3V器件的输入端接上5V信号,则5V电源将会向3V电源充电,持续的电流将会损坏二极管和电路元件。在等待或掉电方式时,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。这些情况将引起数据丢失和元件损坏。必须注意的是:不管是在3V的工作状态或是0V的等待状态都不允许电流直接流向VCC。另外用5V的器件来驱动3V的器件有很多不同情况,各种电路间的转换电平也存在不同情况。驱动器必须满足接收器的输入转换电平,并要有足够的容限保证不损坏电路元件。

2 可用5V容限输入的3V逻辑器件

    3V的逻辑器件可以有5V输入容限的器件有LVC、LVT、ALVT、LCX、LVX、LPT和FCT3等系列。此外,还有不带总线保持输入的飞利浦ALVC也是5V容限。

2.1 ESD保护电路

   3V器件可以有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)保护电路。如图1(a)所示,传统的CMOS电路通过接地的二极管D1、D2对负向高电压限幅实现保护,正向高电压则由二极管D3箝位。这种电路为了防止电流流向VCC电源,最大输入电压被限制在VCC+0.5V。对VCC为3V的器件来说,当输入端直接与大多数5V器件输出端接口时允许的输入电压太低。大多数5V系统加到输入端的电压可达3.6V以上。有些3V系统可以使用两个MOS场效应管或晶体管T1、T2代替二极管D1、D2,如图1(b)所示。T1、T2的作用相当于快速齐纳二极管对高电压限幅。由于去掉了接到VCC的二极管D3,因此最大输入电压不受VCC的限制。典型情况下,这种电路的击穿电压在7～10V之间,因此可以适合任何5V系统的输入电压。

    由上述分析可知,改进后具有ESD保护电路的3V系统的输入端可以与5V系统的输出端接口。

2.2 总线保持电路

　　总线保持电路就是有一个MOS场效应管用作上拉或下拉器件,在输入端浮空(高阻)的情况下保持输入端处于最后有效的逻辑电平。图2(a)中的电路为一LVC器件总线保持电路,采取改进措施而使其输入端具有5V的容限。其基本原理如下:P沟道MOS场效应管具有一个内在的寄生二极管,它连接在漏极和衬底之间,通常源极与衬底是连在一起的,这就限制了输入电压不能高于VCC+0.5V。现在的措施是用常闭接点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,输入端电流不会通过二极管流向VCC而使输入具有5V的容限。图2(b)是LVT和ALVT器件总线保持电路的例子。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,从而可以承受5V输入电压。对于3V的总线保持LVC、LVT和ALVT系列器件可以承受5V的输入电压。但对于3V的ALVC、VCX等系列器件则不能,它们的输入电压被限制在VCC+0.5V。