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混合邏輯電平的接口技術(shù)
摘要：介紹了3.3V和5.0V邏輯電平、RS-232C邏輯電平、LVDS信號(hào)的電特性，討論了它們相互間的接口技術(shù)。關(guān)鍵詞：接口 邏輯電平 電源變換
在功耗低、體積小的便攜式設(shè)備（蜂窩電話、ＰＤＡ、筆記本電腦、數(shù)字相機(jī)等）的應(yīng)用需求驅(qū)動(dòng)下，越來越多的半導(dǎo)體器件采用低電壓設(shè)計(jì)技術(shù)，很多半導(dǎo)體器件制造廠家紛紛推出３．３Ｖ和２．５Ｖ等一系列超低功耗集成電路。這樣使很多低電壓邏輯標(biāo)準(zhǔn)得以廣泛應(yīng)用。在新一代的銀行終端、教育終端等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中，為了降低成本、保持與終端外設(shè)的兼容性，還需要在同一系統(tǒng)中采用許多不同邏輯標(biāo)準(zhǔn)的器件，因此在同一系統(tǒng)中不可避免地存在不同供電電壓的模塊。如何解決不同的邏輯電平信號(hào)間的接口問題，就成了硬件工程師面臨的關(guān)鍵技術(shù)。本文結(jié)合ＴＦＴ彩色液晶網(wǎng)絡(luò)終端的設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了幾種邏輯電平信號(hào)的接口特性，并討論了它們之間的接口技術(shù)。
１ ＤＣ／ＤＣ電源變換
傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器，如ＬＭ１１７系列都要求輸入電壓比輸出電壓高３Ｖ以上，否則不能正常工作，同時(shí)傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換效率低，發(fā)熱量大，所以ＬＭ１１７系列已經(jīng)不能滿足低功耗小體積的應(yīng)用系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)要求。電池供電的便攜式設(shè)備，對于電源轉(zhuǎn)換效率和散熱要求更高，所以必須尋求其他的解決方案。
ＴＦＴ彩色液晶網(wǎng)絡(luò)終端主板涉及大量的５．０Ｖ和３．３Ｖ邏輯信號(hào)，必須有５．０Ｖ和３．３Ｖ兩個(gè)供電模塊。為了與其它系列終端的外置電源兼容，這里采用國家半導(dǎo)體公司的ＬＭ２５７６從１２Ｖ變換到５Ｖ，再采用ＭＩＣＲＥＬ公司的ＭＩＣ５２０７(或Ｌｉｎｅａｒ公司的ＬＴ１０８６)從５Ｖ變換到３．３Ｖ。
ＬＭ２５７６是基于開關(guān)電源技術(shù)的低電壓輸出單片集成電路，內(nèi)置５２ｋＨｚ的振蕩電路，僅僅需要４個(gè)外圍器件，電源轉(zhuǎn)換效率高達(dá)７７％，輸出電流最大可達(dá)３Ａ，發(fā)熱量小,電磁輻射小，可靠性高。
面對低電壓電源的需求，許多電源芯片公司推出了低壓差線性穩(wěn)壓器ＬＤＯ（Ｌｏｗ Ｄｒｏｐｏｕｔ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）。這種電源芯片的壓差可以低至０．２Ｖ～１．３Ｖ，可以實(shí)現(xiàn)５Ｖ轉(zhuǎn)３．３Ｖ／２．５Ｖ、３．３Ｖ轉(zhuǎn)２．５Ｖ／１．８Ｖ等要求。生產(chǎn)ＬＤＯ的公司很多，如ＡＬＰＨＡ、 ＬＴ(Ｌｉｎｅａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ)、ＮＩ(Ｎａｔｉｏｎａｌ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ)、ＴＩ等。低壓差線性穩(wěn)壓器ＭＩＣ５２０７特別適合手持的電池供電設(shè)備，它有一個(gè)與ＣＯＭＳ、ＴＴＬ電平兼容的使能控制引腳，便于關(guān)斷電源降低功耗，其外圍電路也特別簡單。
２ 各種邏輯電平信號(hào)的電特性
在ＴＦＴ彩色液晶網(wǎng)絡(luò)終端系統(tǒng)中，中央處理器Ｉｎｔｅｌ ＰＸＡ２５５的Ｉ／Ｏ端口是３．３Ｖ的ＣＭＯＳ結(jié)構(gòu)；ＵＳＢ Ｈｏｓｔ控制器ＳＬ８１１ＨＳ的Ｉ／Ｏ端口是３．３Ｖ的ＣＭＯＳ結(jié)構(gòu)?熏兼容ＴＴＬ電平；超級(jí)Ｉ／Ｏ控制器Ｗ８３９７７ＡＴＦ具有５．０Ｖ ＣＭＯＳ和５．０Ｖ ＴＴＬ兩種 Ｉ／Ｏ端口。它們的電平特性如表１所示。遵守同一邏輯電平標(biāo)準(zhǔn)的不同器件，端口的電特性可能略有不同，即使是同一器件，在不同環(huán)境下表現(xiàn)出的電特性也是不同的，所以在設(shè)計(jì)電路時(shí)，一定要具體情況具體分析。
表１中，ＶＯＨ表示輸出高電平的最小值；ＶＯＬ表示輸出低電平的最大值。表１ＶＩＨ表示輸入高電平的最小值；ＶＩＬ表示輸入低電平的最大值。表１列出了器件的常見電特性，有些集成電路略有差別。
表1 PXA255、SL811HS與W83977ATF I/O端口的電平特性
銀行終端需要外接的串口設(shè)備多達(dá)８個(gè)以上，所以解決ＲＳ－２３２Ｃ串口與３．３Ｖ和５．０Ｖ邏輯電平接口也是ＴＦＴ彩色液晶網(wǎng)絡(luò)終端系統(tǒng)的一項(xiàng)重要技術(shù)（實(shí)達(dá)電腦公司有些終端的串口是ＴＴＬ電平）。
ＲＳ－２３２Ｃ標(biāo)準(zhǔn)是美國ＥＩＡ(電子工業(yè)聯(lián)合會(huì))與ＢＥＬＬ等公司一起開發(fā)的、于１９６９年公布的通信協(xié)議，全稱是ＥＩＡ－ＲＳ－２３２Ｃ。它適于數(shù)據(jù)傳輸速率在０～２００００ｂｐｓ的通信。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對串行通信接口的有關(guān)問題，如信號(hào)線功能、電特性都作了明確規(guī)定。由于通信設(shè)備廠商都生產(chǎn)與ＲＳ－２３２Ｃ制式兼容的通信設(shè)備，因此，它作為一種標(biāo)準(zhǔn)，目前已在微機(jī)通信接口中廣泛采用。
ＲＳ－２３２Ｃ采用負(fù)邏輯，規(guī)定＋３Ｖ～＋１５Ｖ任意電壓表示邏輯０（或信號(hào)有效），－３Ｖ～－１５Ｖ任意電壓表示邏輯１（或信號(hào)無效）。
目前生產(chǎn)ＴＦＴ液晶顯示屏的廠家主要有ＬＧ．ＰＨＩＬＩＰＳ、ＳＡＭＳＵＮＧ、ＳＨＡＲＰ、ＮＥＣ等。這些顯示屏，有的是ＴＴＬ電平接口，有的是ＬＶＤＳ接口。使用ＴＴＬ電平接口，其有效距離僅為５０ｃｍ?鴉如果是３．３Ｖ電平，傳輸距離更短。在終端應(yīng)用中，一般是顯示屏與主機(jī)結(jié)合為一體，但是也有顯示屏遠(yuǎn)離主機(jī)的情況，所以這里簡要介紹一下ＬＶＤＳ信號(hào)。目前ＬＶＤＳ技術(shù)在傳輸距離上有其局限性，一般應(yīng)用在２０ｍ以下。
ＬＶＤＳ(Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｓｉｇｎａｌｉｎｇ)是一種小振幅差分信號(hào)技術(shù)，使用非常低的幅度信號(hào)（約３５０ｍＶ）通過一對差分ＰＣＢ走線或平衡電纜傳輸數(shù)據(jù)。ＬＶＤＳ在兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中定義：ＩＥＥＥ Ｐ１５９６．３(１９９６年３月通過)，主要面向ＳＣＩ(Ｓｃａｌａｂｌｅ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ)；ＡＮＳＩ／ＥＩＡ／ＥＩＡ－６４４(１９９５年１１月通過)，主要定義了ＬＶＤＳ的電特性，并建議了６５５Ｍｂｐｓ的最大速率和１．８２３Ｇｂｐｓ的無失真媒質(zhì)上的理論極限速率。在兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中都指定了與物理媒質(zhì)無關(guān)的特性，這意味著只要媒質(zhì)在指定的噪聲邊緣和歪斜容忍范圍內(nèi)發(fā)送信號(hào)到接收器，接口都能正常工作。
圖１為ＬＶＤＳ的原理簡圖，其驅(qū)動(dòng)器由一個(gè)恒流源（通常為３．５ｍＡ）驅(qū)動(dòng)一對差分信號(hào)線組成。在接收端有一個(gè)高的直流輸入阻抗（幾乎不會(huì)消耗電流），所以幾乎全部的驅(qū)動(dòng)電流將流經(jīng)１００Ω的終端電阻在接收器輸入端產(chǎn)生約３５０ｍＶ的電壓。當(dāng)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)反轉(zhuǎn)時(shí)，流經(jīng)電阻的電流方向改變，于是在接收端產(chǎn)生一個(gè)有效的“０”或“１”邏輯狀態(tài)。
ＬＶＤＳ技術(shù)的恒流源模式低擺幅輸出意味著ＬＶＤＳ具有很高的傳輸速度，能較好地抑制共模信號(hào)，并行的差分信號(hào)降低了周圍的電磁干擾，ＣＭＯＳ工藝保證了較低的靜態(tài)功耗。另外，由于是低擺幅差分信號(hào)技術(shù)，其驅(qū)動(dòng)和接收不依賴于供電電壓，因此，ＬＶＤＳ能比較容易應(yīng)用于低電壓系統(tǒng)中，如３．３Ｖ甚至２．５Ｖ，保持同樣的信號(hào)電平和性能。ＬＶＤＳ也易于匹配終端。無論其傳輸介質(zhì)是電纜還是ＰＣＢ走線，都必須與終端匹配，以減少不希望的電磁輻射，提供最佳的信號(hào)質(zhì)量。通常，一個(gè)盡可能靠近接收輸入端的１００Ω終端電阻跨在差分線上即可提供良好的匹配。
３ ３.３Ｖ和５.０Ｖ電平信號(hào)的轉(zhuǎn)換
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：
第一，加到輸入和輸出引腳上允許的最大電壓限制問題。器件對加到輸入或者輸出腳上的電壓通常是有限制的。這些引腳有二極管或者分離元件接到Ｖｃｃ。如果接入的電壓過高，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。
第二，兩個(gè)電源間電流的互串問題。在等待或者掉電方式時(shí)，３．３Ｖ電源降落到０Ｖ，大電流將流通到地，這使得總線上的高電壓被下拉到地，這些情況將引起數(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。
第三，接口輸入轉(zhuǎn)換門限問題。５Ｖ器件和３．３Ｖ器件的接口有很多情況，同樣ＴＴＬ和ＣＭＯＳ間的電平轉(zhuǎn)換也存在著不同情況。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保證不損壞電路元件。
基于上述情況，５Ｖ器件和３．３Ｖ器件是不能直接接口的。有些半導(dǎo)體器件制造廠家就推出了具有５Ｖ輸入容限的３．３Ｖ器件，這種器件輸入端具有ＥＳＤ保護(hù)電路。實(shí)際上數(shù)字電路的所有輸入端都有一個(gè)ＥＳＤ保護(hù)電路，傳統(tǒng)的ＣＭＯＳ電路通過接地二極管對負(fù)向高電壓限幅，正向高電壓則由二極管鉗位。這種電路的缺點(diǎn)是最大的輸入電壓被限制在３．３Ｖ＋０．５Ｖ（二極管壓降）以內(nèi)（否則電流將流向３．３Ｖ電源）。而大多數(shù)５Ｖ系統(tǒng)輸出端的電壓可達(dá)３．６Ｖ以上，因此采用了這種電路結(jié)構(gòu)的３．３Ｖ器件是不能與５Ｖ器件輸出端直接接口的。如果采用相當(dāng)于快速齊納二極管的ＭＯＳ場效應(yīng)管代替上述鉗位二極管，實(shí)現(xiàn)對高電壓限幅，并且去掉接到Ｖｃｃ（３．３Ｖ）的二極管，那么最大輸入電壓不受Ｖｃｃ（３．３Ｖ）的限制。典型情況下，這種電路的擊穿電壓在７Ｖ～１０Ｖ之間。因此，這種改進(jìn)后具有ＥＳＤ保護(hù)電路的３．３Ｖ系統(tǒng)的輸入端可以承受５Ｖ的輸入電壓。為了防止在３．３Ｖ器件的輸出端可能存在電流倒灌問題，還需要在輸出端加保護(hù)電路，當(dāng)加到輸出端電壓高于Ｖｃｃ（３．３Ｖ）時(shí)，保護(hù)電路的比較器會(huì)斷開電流倒灌通路，這樣在三態(tài)方式時(shí)就能與５Ｖ器件相連。
分析各種邏輯電平信號(hào)的電特性（見表１），會(huì)發(fā)現(xiàn)有以下五種接口情況：
第一，相同供電電壓的ＴＴＬ器件驅(qū)動(dòng)ＣＭＯＳ器件時(shí)，ＴＴＬ器件的輸出高電平可能達(dá)不到ＣＭＯＳ器件的輸入高電平的最小值。３．３Ｖ ＴＴＬ器件的ＶＯＨ是２．４Ｖ，３．３Ｖ ＣＭＯＳ器件的ＶＩＨ是０．８ＶＣＣ（３．３Ｖ×０．８＝２．６４Ｖ）；５．０Ｖ ＴＴＬ器件的ＶＯＨ是２．４Ｖ，５．０Ｖ ＣＭＯＳ器件的ＶＩＨ是０．７ＶＣＣ（３．５Ｖ）。為了可靠地傳輸數(shù)據(jù)，可以將ＴＴＬ器件的輸出端上拉。有些ＣＭＯＳ工藝制造的器件兼容 ＴＴＬ電平，這樣就可以與相同供電電壓的ＴＴＬ器件直接接口，不需要上拉。
第二，相同供電電壓的ＣＭＯＳ器件驅(qū)動(dòng)ＴＴＬ器件，電平匹配，數(shù)據(jù)能可靠地傳輸。
第三，不同供電電壓的ＴＴＬ器件驅(qū)動(dòng)ＣＭＯＳ器件時(shí)，ＴＴＬ器件的輸出高電平也可能達(dá)不到ＣＭＯＳ器件的輸入高電平的最小值。３．３Ｖ ＴＴＬ器件的ＶＯＨ是２．４Ｖ，５．０Ｖ ＣＭＯＳ器件的ＶＩＨ是０．７ＶＣＣ（３．５Ｖ），電平不匹配；５．０Ｖ ＴＴＬ器件的ＶＯＨ是２．４Ｖ，３．３Ｖ ＣＭＯＳ器件的ＶＩＨ是０．８ＶＣＣ（２．６４Ｖ），可以將５．０Ｖ ＴＴＬ器件的輸出端上拉，達(dá)到電平匹配的目的。
第四，不同供電電壓的ＣＭＯＳ器件驅(qū)動(dòng)ＴＴＬ器件時(shí)，在輸入端具有５Ｖ容限的情況下，電平匹配，數(shù)據(jù)能可靠地傳輸。
第五，不同供電電壓的ＴＴＬ器件在輸入端具有５Ｖ容限的情況下可以直接接口；不同供電電壓的ＣＭＯＳ器件由于電平不匹配不能直接接口。
由以上分析可知，不同邏輯標(biāo)準(zhǔn)的電平信號(hào)一般是不能直接接口的。在只有少量信號(hào)需要電平轉(zhuǎn)換的情況下，可以考慮上拉電阻或選擇具有５Ｖ輸入容限的器件，甚至可以考慮電阻分壓降低輸入電壓的辦法。對于大量信號(hào)需要電平轉(zhuǎn)換的情況，為了可靠傳輸數(shù)據(jù)，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。如仙童半導(dǎo)體公司的７４ＬＶＸ４２４５、ＴＩ公司的ＳＮ７４ＡＬＶＣ１６４２４５、ＳＮ７４ＡＬＶＣ４２４５
等芯片，可以較好地解決３．３Ｖ與５Ｖ電平的轉(zhuǎn)換問題。
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４ ３.３Ｖ、５.０Ｖ電平信號(hào)與ＲＳ－２３２電平信號(hào)的轉(zhuǎn)換
在ＴＦＴ彩色液晶網(wǎng)絡(luò)終端系統(tǒng)中，Ｉｎｔｅｌ ＰＸＡ２５５微處理器有３個(gè)與１６５５０標(biāo)準(zhǔn)兼容的ＵＡＲＴ端口，３．３Ｖ ＣＭＯＳ邏輯結(jié)構(gòu)。終端外圍設(shè)備一般都遵守ＲＳ－２３２Ｃ標(biāo)準(zhǔn)的串口，因此必須進(jìn)行ＥＩＡ－ＲＳ－２３２Ｃ與Ｉｎｔｅｌ ＰＸＡ２５５電平和邏輯關(guān)系的轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)這種變換的方法很多，可用分離元件，也可用集成電路。目前較為廣泛地使用集成電路轉(zhuǎn)換器件，如ＭＣ１４８８、ＳＮ７５１５０等芯片可完成ＴＴＬ電平到串口電平的轉(zhuǎn)換。ＭＣ１４８９、ＳＮ７５１５４可實(shí)現(xiàn)串口電平到ＴＴＬ電平的轉(zhuǎn)換。ＭＡＸ２３２／ＭＡＸ２３２Ａ、ＭＡＸ３２２１／ＭＡＸ３２２３ 等芯片可完成多路３Ｖ～５Ｖ電平與串口電平的雙向轉(zhuǎn)換。在ＴＦＴ彩色液晶網(wǎng)絡(luò)終端系統(tǒng)中，串口多達(dá)８路，從價(jià)格和電路的復(fù)雜性等方面考慮，選用Ｉｎｔｅｌｓｉｌ公司的ＨＩＮ２３２。ＨＩＮ２３２的供電電壓是５．０Ｖ，它的接收模塊的輸出管腳、發(fā)送模塊的輸入管腳的邏輯電平與ＴＴＬ／ＣＭＯＳ兼容。
５ ３.３Ｖ電平信號(hào)與ＬＶＤＳ信號(hào)的轉(zhuǎn)換
Ｉｎｔｅｌ ＰＸＡ２５５微處理器的ＬＣＤ控制模塊提供１６位顯示數(shù)據(jù)，行、場同步信號(hào)，象素時(shí)鐘，輸出使能信號(hào)。在ＴＦＴ顯示模式下，紅色５位，綠色６位，藍(lán)色５位。這些信號(hào)都是３．３Ｖ ＣＭＯＳ電平。國家半導(dǎo)體公司推出的ＤＳ９０Ｃ３８５發(fā)送器，專用于將ＬＶＴＴＬ和ＬＶＣＭＯＳ信號(hào)轉(zhuǎn)換為ＬＶＤＳ數(shù)據(jù)流。在選用轉(zhuǎn)換芯片時(shí)，一定要注意轉(zhuǎn)換速率是否滿足系統(tǒng)需要。
在今后的數(shù)字邏輯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，會(huì)經(jīng)常遇到混合邏輯電平的接口問題。只要深入理解各種邏輯電平的電特性，同時(shí)注意一些具體問題，例如轉(zhuǎn)換速率等，就能設(shè)計(jì)出正確的接口電路，保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。
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