消除微控制器應(yīng)用中的電平轉(zhuǎn)換器：設(shè)計注意事項

在設(shè)計系統(tǒng)時，最重要的設(shè)計決策之一是選擇要使用的電壓域。某些電壓域（例如 5 V）適用于嘈雜和惡劣的操作環(huán)境，例如工業(yè)應(yīng)用中的環(huán)境，而其他電壓域（例如 3.3 V）通常用于無線通信。然而，每個電壓域都增加了設(shè)計的復(fù)雜性，并且需要一種跨域通信的方法。在這個兩篇系列文章的第一篇文章中，將介紹一種稱為多電壓 I/O (MVIO) 的新型微控制器中的電平轉(zhuǎn)換外設(shè)。MVIO 降低了跨域通信所需的設(shè)計復(fù)雜性和部件數(shù)量。

在設(shè)計系統(tǒng)時，理想情況下只需要一個電壓域，這樣可以使設(shè)計過程簡單明了。在許多情況下，單個域是不可能的，因為許多傳感器和模塊僅在特定邏輯級別可用。藍牙和其他無線通信模塊經(jīng)常在 3.3-V 域中運行，而工業(yè)應(yīng)用則傾向于使用 5-V 邏輯以在惡劣的操作環(huán)境中獲得更高的抗噪性。1.8V 操作在微處理器和其他高性能設(shè)備中也很常見。

在跨電壓域進行通信時，從一個域轉(zhuǎn)換到另一個域非常重要。大多數(shù)設(shè)備無法正確處理施加到其輸入引腳的更高（高于工作）電壓。這可能會導(dǎo)致設(shè)備損壞或出現(xiàn)意外行為。例如，考慮一個連接到 3.3V 微控制器的工業(yè) 5V 傳感器。傳感器將向微控制器的輸入端施加 5 V 電壓，這可能會損壞設(shè)備或其他連接的電路。圖 1 顯示了AVR DB微控制器系列器件的絕對最大額定值。在這種情況下，5 V 輸入信號超過了由 3.3 V 供電時的引腳額定值。

圖 1 I/O 引腳限制示例是根據(jù) AVR DB 微控制器數(shù)據(jù)表中的表 39-1 創(chuàng)建的。資料來源：微芯片

另一個可能出現(xiàn)的問題是信號輸入可能無法滿足所需的低或高輸入電壓閾值（圖 2）。這可能導(dǎo)致邊際操作行為。該設(shè)計可能根本不起作用，或者更糟糕的是，它可能會在特定的邊緣情況或操作條件下起作用。

圖 2 根據(jù) AVR DB 微控制器數(shù)據(jù)表中的表 39-7 創(chuàng)建了 I/O 引腳閾值示例。資料來源：微芯片

這個問題的標(biāo)準(zhǔn)解決方案是在設(shè)計中添加一個外部電平轉(zhuǎn)換器。電平轉(zhuǎn)換器在兩個電壓域上運行并從 A 轉(zhuǎn)換到 B，反之亦然。但是電平轉(zhuǎn)換器會給設(shè)計帶來成本和問題。有許多不同尺寸和類型的電平轉(zhuǎn)換器，具有不同的功能集。

大型復(fù)雜設(shè)計可能需要電平轉(zhuǎn)換器的多種變體來滿足設(shè)計要求。例如，I 2 C 必須與雙向電平轉(zhuǎn)換器一起使用，而串行總線（如 SPI）在兩個域上都有專用輸入和輸出的更快的單向電平轉(zhuǎn)換器將更好地工作。此外，每個外部電平轉(zhuǎn)換器都會增加材料清單 (BOM) 和 PCB 空間。

為了消除與使用外部電平轉(zhuǎn)換器相關(guān)的面積和費用，Microchip 推出了一種稱為多電壓 I/O 或 MVIO 的新外設(shè)。它已被引入 AVR DB 微控制器系列。MVIO 允許微控制器的一個端口在與設(shè)備其余部分不同的電壓域中運行。這個特殊端口仍然保留了微控制器 I/O 的正常數(shù)字可配置性。由于 MVIO 功能對硬件是透明的，因此數(shù)字外圍設(shè)備將像往常一樣在端口上運行（通電時）。這允許基于硬件的 I 2 C、SPI、UART、PWM 和其他外設(shè)發(fā)揮作用并提高微控制器的電源效率和性能（圖 3）。

圖 3 一個工業(yè)應(yīng)用程序?qū)⒆约撼尸F(xiàn)為 MVIO 的一個可能用例。資料來源：微芯片

關(guān)鍵 MVIO 功能

MVIO 是真正的電平轉(zhuǎn)換。MVIO 端口可以在比微控制器其余部分更高或更低的電壓下運行。目前，MVIO 在 AVR DB 系列上的推薦工作電壓范圍為 1.8 V 至 5.5 V。在這里，MVIO 需要專用電源才能運行，但不需要電源排序。如果主微控制器電源或 MVIO 電源低于所需的最小值，則 MVIO 引腳為三態(tài)。

電源恢復(fù)時引腳的行為取決于哪個電源掉電。在 MVIO 電源斷電的情況下，I/O 將在上電時返回其寄存器設(shè)置。如果微控制器電源斷電，則當(dāng)微控制器重新啟動時，引腳將重置為上電復(fù)位 (PoR) 默認值。

在運行期間，微控制器可以通過三種方式監(jiān)控 MVIO 的操作：

輪詢電源狀態(tài)

中斷電源狀態(tài)更改

使用 ADC 進行測量

MVIO 狀態(tài)寄存器指示 MVIO 的電源是否超過最低電壓要求。該位可以由微控制器輪詢，或者當(dāng)它改變狀態(tài)時可以產(chǎn)生一個中斷。此外，微控制器中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 可以通過內(nèi)部 10 倍分壓器網(wǎng)絡(luò)測量 MVIO 電源。

MVIO的簡單演示

顯示 MVIO 的一種直觀方式是在觀察數(shù)字輸出的同時調(diào)制電源電壓。這會創(chuàng)建混合信號波形，跟蹤 MVIO 的電源，同時由數(shù)字 I/O 選通。以下演示中的模擬波形是通過板載數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 在 AVR DB 微控制器上創(chuàng)建的，并由一個內(nèi)部運算放大器進行緩沖，以為 MVIO 端口供電。

運算放大器也可用于在其他應(yīng)用中為 MVIO 供電，但它有兩個重要的注意事項：

運算放大器的最大和最小輸出電壓受微控制器電源和輸出電流量的限制。

此設(shè)置的靜態(tài)電流遠高于專用電源穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流。

在本演示中，DAC 中的值每 10 μs 從定時器/計數(shù)器 B (TCB) 中斷服務(wù)程序 (ISR) 更新一次，如圖 4 所示。ISR 要么從查找表中讀取一個值，要么計算來自預(yù)編程公式的 DAC 值。確切的行為取決于正在生成的波形；正弦波由固定查找表合成，而其他波形由微控制器計算。

圖 4 使用AVR128DB48微控制器的 MVIO 演示框圖。資料來源：微芯片

為了顯示數(shù)字功能，在 MVIO 端口上設(shè)置了脈寬調(diào)制 (PWM) 輸出。定時器/計數(shù)器 D (TCD) 創(chuàng)建一個 250-kHz PWM 信號，占空比為 50%。但是，由于 TCD 在 MVIO 端口上沒有輸出，因此使用可配置自定義邏輯 (CCL) 的一個單元將信號傳遞到 MVIO I/O 引腳。

生成的輸出波形如下圖 5 所示。DAC 為 MVIO 電源生成一個固定的 1kHz 正弦波，帶有電壓偏移，因此 MVIO 電源不會降至最低工作電平以下并關(guān)閉。

圖 5 這是演示的結(jié)果輸出波形。
1.8 V 與 MVIO 接口

為了演示 MVIO 的更實際應(yīng)用，Microchip 與另一家半導(dǎo)體解決方案供應(yīng)商 Melexis 共同開發(fā)了演示；該演示使用其MLX90392 3D 磁力計作為窗戶安全傳感器?；善_關(guān)是檢測窗戶是打開還是關(guān)閉的常用方法，但開關(guān)很容易被放置在它們附近的外部磁鐵欺騙。相比之下，MLX90392 磁力計測量三個維度的磁場，使其更能抵抗此類攻擊。用戶還可以對自定義的打開/關(guān)閉窗口閾值進行編程，以允許稍微打開窗口而無需解除系統(tǒng)武裝。

MLX90392 磁力計通過 1.8 V 的 I 2 C 與微控制器通信。通常，這需要一個外部電平轉(zhuǎn)換器，但由于微控制器上提供了 MVIO，因此不需要電平轉(zhuǎn)換器。此外，還實施了MLX90632遠紅外線 (FIR) 傳感器來執(zhí)行室溫監(jiān)測。該傳感器由 3.3 V 供電，但有一個變體，也可以在 1.8 VI 2 C 總線上通信。

本演示中的第二個電壓域為 3.3 V。該域為微控制器和RN4870藍牙模塊供電。實現(xiàn)了藍牙通信，以允許演示與智能手機進行交互，而無需使用專門的硬件。在生產(chǎn)應(yīng)用中，其他更簡單、功耗更低的無線通信方法，如Sub-GHz無線電，可能會為每個監(jiān)控節(jié)點做出更好的選擇。