EPM7128在TMS320LF2407A系統(tǒng)中電平轉(zhuǎn)換的應(yīng)用

作者Email: xuelei_51@126.com

    摘要：TMS320LF2407A采用了高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3V，減小了控制器的功耗。但是系統(tǒng)中依然存在很多5V供電的芯片，因此這個(gè)系統(tǒng)中就不可避免地存在不同供電電壓的模塊。為了適應(yīng)混合電壓系統(tǒng)，采用CPLD(EPM7128)實(shí)現(xiàn)DSP（TMS320LF2407A）與5V器件接口。

    關(guān)鍵詞：CPLD(CPLD)；DSP(DSP)；混合電壓(MultiVolt)

1. EPM7128SLC84-15簡述

EPM7128SLC84-15是Altera公司推出的MAX7000S 系列的CPLD(Complex Programmable Logic Device)；采用CMOS E2PROM工藝，傳輸延遲僅為5ns；內(nèi)部具有豐富的資源--128個(gè)觸發(fā)器、2500個(gè)用戶可編程門；而且具有68個(gè)用戶可編程的IO口，為系統(tǒng)定義輸入、輸出和雙向口提供了極大的方便；為了比較適合混合電壓系統(tǒng)，通過配置，輸入引腳可以兼容3.3V/5V邏輯電平，輸出可以配置為3.3V/5V邏輯電平輸出。EPM7128同時(shí)還提供了JTAG接口，可進(jìn)行ISP編程，極大地方便了用戶。

2. 電源設(shè)計(jì)

TMS320LF2407A的工作電壓是3.3V，而系統(tǒng)中許多常用外圍器件的主要工作電壓通常是5V，因此以TMS320LF2407A為核心構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)必然是一個(gè)混合電壓系統(tǒng)。系統(tǒng)中不僅要求有3.3V的電源，還要求有5V的電源。設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是減少所需電源的數(shù)目，并減少產(chǎn)生這些電源電壓所需器件的數(shù)目。為了減少多電源所需的額外器件的數(shù)目，不少廠家提供了產(chǎn)生多種電壓的芯片。同時(shí)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，將會(huì)出現(xiàn)更多的低電壓器件，從而逐漸消除對(duì)多電源的要求和產(chǎn)生這些電源的花費(fèi)和復(fù)雜性。 對(duì)于TMS320LF2407A應(yīng)用系統(tǒng)而言，首先要解決的就是3.3V電源問題。解決3.3V電源通常有以下幾種方案。

2.1 電阻分壓

利用電阻分壓的方法，其原理如圖1所示。其成本比較低并且結(jié)構(gòu)簡單，可以作為一種應(yīng)急的方案。但是，該電路實(shí)際的輸出電壓顯然要小于3.3V，并且隨著負(fù)載的變化，輸出電壓也會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。此外，這種電路的無功功耗也比較大。

2.2 直接采用電源模塊

考慮到開關(guān)電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，一些公司推出了基于開關(guān)電源技術(shù)的低電壓輸出電源模塊。這些模塊可靠性和效率都很高，電磁輻射小，而且許多模塊還可以實(shí)現(xiàn)電源隔離。這些電源模塊使用方便，只需增加很少的外圍元件，但是價(jià)格比較昂貴。

2.3 利用線性穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換芯片

線性穩(wěn)壓芯片是一種最簡單的電源轉(zhuǎn)換芯片，基本上不需要外圍元件。但是傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器，如LM317，要求輸入電壓比輸出電壓高2V或者更大，否則就不能夠正常工作。因此對(duì)于5V的輸入，輸出并不能夠達(dá)到3.3V。面對(duì)低壓電源的需求，許多電源芯片公司推出了低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)。這種電源芯片的壓差只有1.3V~0.2V，可以實(shí)現(xiàn)5V轉(zhuǎn)3.3V的要求。LDO所需的外圍器件數(shù)目少、使用方便、成本較低、紋波小、無電磁干擾。例如，TI公司的TPS73xx系列就是TI公司為配合DSP而設(shè)計(jì)的電源轉(zhuǎn)換芯片，其輸出電流可以達(dá)到500mA，且接口電路非常簡單，只需接上必要的外圍電阻，就可以實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換。該系列分為固定電壓輸出的芯片和可調(diào)電壓輸出的芯片，但這種芯片通常效率不是很高。

綜合幾種電源的優(yōu)缺點(diǎn)，DSP系統(tǒng)采用LDO芯片TPS7333。此芯片是TI公司專門為3.3V低壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，它是固定輸出3.3V，且有上電產(chǎn)生DSP系統(tǒng)復(fù)位所需的信號(hào)。此外它輸出電流可達(dá)幾百毫安，輸出功率完全能夠滿足系統(tǒng)所需。具體電路如圖2所示。

3. TMS320LF2407A邏輯接口設(shè)計(jì)

3.1 各種電平的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)

在進(jìn)行DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了DSP和CPLD本身外，還有很多外圍的模塊和芯片，比如鍵盤顯示接口芯片（82C79）、D/A、A/D、I2C等。這些可歸成兩類--輸入5V TTL電平和5V CMOS電平。因此就存在一個(gè)如何將DSP與這些芯片或模塊可靠接口的問題。

圖3所列為5V CMOS、5V TTL和3.3V TTL電平的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)。其中，VOH表示輸出高電平的最低電壓，VIH表示輸入高電平的最低電壓，VIL表示輸入低電平的最高電壓，VOL表示輸出低電平最高電壓。從表1中可以看出，5V TTL和3.3V的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)是一樣的，而5V CMOS的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)是不同的。因此，在將3.3V系統(tǒng)與5V系統(tǒng)接口時(shí)，必須考慮到兩者的不同。

在混合電壓系統(tǒng)中，不同電源電壓的邏輯器件互相接口時(shí)存在以下幾個(gè)問題。

① 加到輸入和輸出引腳上允許的最大電壓限制問題。器件對(duì)加到輸入或者輸出腳上的電壓通常是有限制的，這些引腳由二極管或者分離元件接到VCC。如果接入的信號(hào)電壓過高，則電流將會(huì)通過二極管或者分離元件流向電源。例如在3.3V器件的輸入端加上5V的信號(hào)，則5V電源會(huì)向3.3V電源充電。持續(xù)的電流將會(huì)損壞二極管和其它電路元件。

② 兩個(gè)電源間電流的互串問題。在等待或者掉電時(shí)，3.3V電源降到0V，大電流將流通到地。這使得總線上的高電壓被下拉到地，引起數(shù)據(jù)丟失和元件損壞。必須注意的是：不管在3.3V的工作狀態(tài)還是在0V的等待狀態(tài)，都不允許電流流向VCC。

③ 接口輸入轉(zhuǎn)換門限問題。用5V的器件驅(qū)動(dòng)3.3V的器件有很多不同的情況，同樣TTL和CMOS間的轉(zhuǎn)換電平也存在著不同情況。驅(qū)動(dòng)器必須滿足接收器的輸入轉(zhuǎn)換電平，并且要有足夠的容限以確保不損壞電路元件。

3.2 DSP（TMS320LF2407A）與5V電平接口的4種情形

在DSP混合電壓系統(tǒng)中，有下面4種不同的情況需考慮：

① DSP（TMS320LF2407A）驅(qū)動(dòng)5V TTL器件（直接相連）。由于 3.3V器件的VOH和VOL電平分別是2.4V和0.4V，5V TTL器件的VIH 和VIL 電平分別是2V和0.8V；而TMS320LF2407A實(shí)際上能輸出3V擺幅電壓，顯然5V TTL器件能夠正確識(shí)別TMS320LF2407A的輸入電平。

② 5V TTL器件驅(qū)動(dòng)TMS320LF2407A（不能直接連接）。TMS320LF2407A的典型工作電壓是3.3V，其I／O口的電平也是3.3V。在進(jìn)行外圍接口設(shè)計(jì)時(shí)，如果外圍器件的工作電壓是5V，其輸出電壓會(huì)大于DSP的電源電壓，這樣就會(huì)向3.3V電源灌電流，損壞TMS320LF2407A，所以這是絕對(duì)不可直接相連的。由于CPLD（EMP7128）有5V容限，所以可以與5V TTL器件直接連接。而CPLD（EPM7128）可以配置為3.3V輸出，其輸出可以被TMS320LF2407A所接受，所以TMS320LF2407A需經(jīng)過CPLD（EPM7128）才能與5V TTL器件相連，接受輸入信號(hào)。

③ 5V CMOS器件驅(qū)動(dòng)TMS320LF2407A（需經(jīng)過EPM7128電平轉(zhuǎn)換）。分析同上，5V CMOS器件不可以直接驅(qū)動(dòng)TMS320LF2407A。通過比較5V CMOS的VOH 和VOL以及3.3V的VIH 和VIL 的轉(zhuǎn)換電平可以看出，雖然兩者存在一定的差別，但是能夠承受5V電壓的3.3V器件可以正確識(shí)別5V器件送來的電平值。所以能夠承受5V電壓的3.3V 器件的輸入端可以直接與5V器件的輸出端接口。CPLD（EPM7128）有5V容限，故能直接與5V器件的輸出端接口，而它的輸出是3.3V TTL電平，可以被DSP（TMS320LF2407A）接受。

④DSP（TMS320LF2407A）驅(qū)動(dòng)5V CMOS(不能直接相連)。3.3V與5V CMOS的電平轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)是不一樣的。從圖3中可以看出，3.3V輸出的高電壓的最低電壓值VOH = 2.4V(輸出的最高電壓可以達(dá)到3.3V)，而5V CMOS器件要求的高電平最低電壓VIH = 3.5V，因此TMS320LF2407A的輸出不能直接驅(qū)動(dòng)5V CMOS器件。為此必須做些處理。最通用的方法就是，使用電平接口轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)3.3V與5V電平的相互轉(zhuǎn)換。可以采用雙電壓（一邊是3.3V，另一邊是5V）供電的雙向驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。如TI的SN74ALVC164245、SN74ALVC4245等芯片，可以較好地解決3.3V與5V電平的轉(zhuǎn)換問題。也可以通過CPLD，利用CPLD輸出口設(shè)置OC(集電極開路)，外接一個(gè)電阻上拉到5V，這樣就可以驅(qū)動(dòng)5V CMOS器件，只是邏輯反向了而已。

3.3 本系統(tǒng)所采用的轉(zhuǎn)換接口

由于EMP7128具有混合電壓特性，VCCINT接5V，輸入口的邏輯電平范圍為TTL，因此它能夠兼容3.3V/5V輸入。輸出口的邏輯電平范圍為0V～VCCIO，VCCIO可以接3.3V或者5V。本DSP系統(tǒng)就采用EMP7128作為邏輯電平轉(zhuǎn)換接口，使輸入配置為5V，輸出配置為3.3V，對(duì)于一些輸出驅(qū)動(dòng)5V COMS器件的IO口，配置輸出口為OC門，外接上拉電阻，拉到5V電壓，只是編程中要注意輸出口的邏輯反向。系統(tǒng)電路原理圖如圖4所示：

4. 結(jié)論

經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用證明，應(yīng)用CPLD（EMP7128）配置輸入引腳兼容3.3V/5V邏輯電平和輸出為3.3V/5V邏輯電平，使DSP（TMS320LF2407A）系統(tǒng)可以與5V TTL和5V COMS電平順利接口。經(jīng)過CPLD（EMP7128）使DSP（TMS320LF2407A）的3.3V電壓系統(tǒng)與5V器件構(gòu)成一個(gè)混合電壓系統(tǒng)，確保了系統(tǒng)的安全性及可靠性，并且由于EPM7128的可編程特性使得系統(tǒng)連接具有易改性和保密性。